Brevet FR2484356A1 — publié le 19811218

Domaine technique. La présente invention concerne un bateau à propulsion par moteur électrique alimenté par des cellules photovoltaïques en direct, ou par l'appoint de batteries d'accumulateurs, en tampon, rechargées elles-niemes par les cellules photovoltaïques. Problème pose. Il s'agit d'utiliser l'énergie solaire par des cellules photovoltaïques pour la propulsion de bateaux, dispositif, qui, en dehors de l'investissement initial nécessaire, assure une énergie gratuite, non polluante, un fonctionnement du bateau silencieux, fiable et propre. Toutefois, l'énergie recueillie est faible et pour bien l'utiliser, il faut en recueillir le plus possible, et ne pas la gaspiller en étudiant soigneusement les formes de carènes les mieux adaptées, ainsi que les dimensions nécessaires et importantes des panneaux pour assurer la propulsion du navire dans les meilleures conditisons. Etat de la technique antérieure et inconvénients. Dans l'état actuel de la technique, les panneaux de cellules photovoltaïques fournissent par bon ensoleillement dans le midi de la France, une puissance de 90 W au m2G I1 faut donc adapter cette puissance assez faible aux conditions d @ d'emploi de propulsion des navires de deux façons. 1) augmenter l'énergie reçue en multipliant la surface exposée. 2) en adaptant les formes du navire à un rendement maxl- mum pour une vitesse et une puissance propulsive déterminée. En effet une puissance aussi faible peut difficilement servir à la propulsion d'un bateau normal et conventionnel, sans prévoir des dispositions spéciales pour pouvoir disposer de grandes surfaces de panneaux et aussi, pour pouvoir accumuler l'énergie dans les moments de non fonctionnement, et ainsi pouvoir la restituer au moment où on en aura besoin. En effet, on constate dans la plaisance, que les embarcations de pêche ou promenade ont un moteur qui fonctionne généralement peu au cours de la Journée puisque l'embarcation sert la plupart du temps à se rendre en un endroit peu éloigné du port, à y Jeter l'ancre pour y passer -les heures les plus agréables de la Journée > puis pour revenir au port, ou en Joindre un autre à courte distance, (petite croisière côtière). La faible puissance des batteries solaires actuelles ne permettrait pas un usage continu (de plus de 5 à 7 heures dans les meilleurs cas). C'est pourquoi il n'existe pas de tels bateaux actuellement. La présente invention est destinée à remédier 8 ces inconvénients pour permettre Justernent l'utilisa- tion pratique de l'énergie solaire à la propulsion des bateaux destinés à l'usage qui vient d'genre indiqué. ExPosé de l'invention. Le bateau est caractérisé principalement par la combinaison a) d'une coque assurant le minimum de résistance à lavan- cement aussi bien dans les eaux calmes, que dans le clapot, et que suivant la charge, c'est-à-dire une coque ayant un coefficient de finesse maximum, une trainée minimum, un coefficient de pénétration important pour des vitesses de 3 à 7 noeuds, et roulant peu, grace à une grande stabilité de forme assurant un écoulement laminaire des filets d'eau pour la vitesse prévue, b) de panneaux captant énergie solaire pour la transror- mer en électricité, à surface la plus grande possible, répartis dans les superstructures du bateau à l'abri des proJections d'eau (autant que possible bien qu'il s'agisse de panneaux étanches). Les panneaux sont disposés sur la surface disponible du bateau, c'est-à-dire sur la plage avant et au-dessus du cockpit, du rouf ou du taud. Pour en augmenter la surface, on prévoit des panneaux supplémentaires superposables au repos au niveau des panneaux fixes sur la plage avant et sur le toit ou rouf et qui peuvent se déployer en marche et dans les moments où l'on veut capter le maximum d'énergie solaire, c'est-d-dire à l'arrêt, quand on veut recharger les batteries. Le repliage des panneaux supplémentaires peut se faire soit les uns sur les autres, à la manière d'un paravent, soit par coulissement les uns sous les autres à laide de glissières. Une solution élégante consiste à prévoir des panneaux fixes au niveau des passavants et de disposer des panneaux mobiles déployables articulés autour d'axes verticaux à l'avant du bateau, disposés dans des fentes sous les passavants et pouvant sldcarter latéralement à la manière des ailes d'avions à géométrie variable. Solution au problimej avantages et résultat Industriel Les différentes dispositions permettent d'utiliser de grandes surraces de panneaux de cellules photovoltaïques et de pouvoir capter le maximum d'énergie. Cette énergie est stockée partiellement dans des batteries d'accumulateur d'où elle peut être puisée avec une intensité suffi sante pour assurer la propulsion. Le déploiement des panneaux supplémentaires est possible quand on a de I'espace, ce qui nsest pas le cas dans les ports. Toutefois, dans ceux-ci, les panneaux fixes sont suffisants pour recharger la batterie puisque le bateau passe ltessentiel de son temps à l'amarrage à quai. Le dispositif est applicable sur des bateaux de pêche et promenade de tailles diverses. Les coques utilisées sont conçues pour avoir le minimum de résistance à l'avance- ment et n'utilisent que des puissances réduites par rapport à la normale. Une solution élégante consiste à utiliser des multicoques : catamarans ou trimarans qui ont une grande stabilité de forme et une résistance minimum à l'avancement. On peut aussi utiliser des bateaux avec coque classique mais' avec une proue qui fend l'eau et une poupe genre norvégien (canoe, "pointu", "pinasse", et...) pour assurer un écoulement laminaire de leau le long de la coque avec un minimum de remous et de vagues arrière. Grâce au dispositif de l'invention, on fait déplacer un bateau à moteur avec une énergie gratuite et non polluante, le fonctionnement s'effectuant silencieusement de façon fiable et avec le maximum de propreté. Ce genre de bateau peut donc être utilisé non seulement en mer mais dans les eaux intérieures, sur des lacs de retenue d'eau potable, par exemple. L'invention sera mieux comprise à laide de la description Jointe qui en donne quelques exemples non limitatifs de réalisation pratique et qui sont illustrés par les dessins Joints. Brève description des figures. Dans lesdits dessins La figure 1 est une vue schématique d'ensemble du dispositif de propulsion de bateau de l'invention. La figure 2 est une vue en élévation simpli- fiée d'un bateau monocoque utilisant les cellules photo voltaïques suivant l'invention. La figure 3 est une vue en plan du bateau reprd- sente à la figure 2 montrant comment les panneaux de cellules photovoltaiques peuvent se développer pour capter plus d'énergie. La figure 4 est une vue de profil d'un bateau catamaran suivant l'invention montrant, dans sa partie gauche, le développement de panneaux de cellules photovoltaïques par glissières horizontales et, dans sa partie droite, le développement de panneaux cellules photovoltaïques par ouverture des panneaux articulés autour d'un axe, à la manière d'un livre. La figure 5 est une vue en plan d'un troisième type de bateau ayant des panneaux supplémentaires articulés autour d'axes verticaux à l'avant et s'écartant latérale- ment à la matière des ailes d'avions à géométrie variable. La figure 6 est une autre variante de panneaux repliés en accordéon ou paravent. a figure 7 est une vue des panneaux de la figure 6 déployés pour capter l'énergie solaire. Description de quelques modes de réalisation0 Le principe du mode de propulsion des bateaux est représenté i la figure 1 où le soleil 1 insole par ses rayons 2 et 3 des panneaux de cellules photovoltaïques 4 et 5. Les panneaux 4 et 5 émettent un courant continu et leurs pôles négatifs sont reliés au conducteur 6 tandis que leurs pôles positifs sont reliés au conducteur 7. Des diodes séparatrices 8 > 9 respectivement entre les panneaux 4 et 5 et le conducteur 7, ont une fonction de valve pour ne laisser passer le courant que dans un seul sens. Les conducteurs 6 et 7 sont relies à la batterie tampon 10 en passant par un contrôleur de charge ll dont la technique est suffisamment connue pour qu'on ne la décrive pas ici. Le courant émis par les panneaux 4 et 5 et/ou la batterie tampon 10 est appliqué par les conducteurs 6 et 12 au bottier de commande 13 qui module le courant continu et peut éventuel lement l'inverser dans les conducteurs 14 et 15 qui alimentent le moteur 16~actionnant l'hélice 17 à la vitesse et dans le sens voulus. On indique ci-après une méthode d'approximation de la puissance fournie. Si le plan de pont s'inscrit dans un rectangle dont la surface est Longueur x largeur et que la surface du pont est "Sp" (pont) tandis que "Sr" (rectangle) est la surface du rectangle circonscrit - pour avoir le maximum de surface exposée Sp doit tendre vers Sr. Il semble que la limite pour les monocoques se situe vers 0,7 à 0,85 (d'où l'intérêt des multicoques genre catamaran ou trimaran). Sp = (0,7 à 0,85) de Sr. - la surface moyenne disponible pour les panneaux est dans le rapport de 1/2 Surface du rectangle (Longueur x largeur du bateau) @ 2 Donc L x 1 : 2 = m2 de panneaux solaires Puissance captée (en crète) = m2 x 90 W = P. captée. Puissance captée x rendement (0,50 à 0,60) = Puissance fournie à l'hélice, ou puissance propulsive. Exemple : un bateau de 10 m de long et de 3,60 m de large peut capter environ 10 m x 3,60 : 2 x 60 W = 1 kW,620 (puissance crète) puissance assez faible. D'où l'intérêt du déploiement de la surface exposée. Le tableau ci-après indique les applications des "puissances solaires" à différentes tailles de bateau Longueur à Surface de Puissance Vitesse Dépla la flot- panneaux (crète) cement taison solaires 6,10 m 7,50 m2 675 W 4 à 5 noeuds 700 à 1000 kg 7,65 m 12,75 m2 1147 W à d 5 noeuds 800 à 1100 kg 9,15 m 19 m2 1710 W 5 à 5,5 noeuds 1T500 à 2T 12,20 m 30 m2 2700 W 5,5 noeuds 4T à 6T 15,50 m 51 m2 4567 W 5,6 noeuds 8T à 12T On indique ci-après des éléments relatifs à la coque. Pour une meilleure coque il nous faut 1) un coefficient prismatique adapté à la vitesse désirée, 2) un coefficient de finesse maximum, 3) un coefficient de trainée minimum, 4) un faible tirant d'eau, 5) une surface mouillée la plus réduite possible, 6) des lignes d'eau tendues sur une carène miplate-mironde, 7) une longueur de flottaison maximum compatible avec la longueur totale désirée, 8) un plan de pont le plus large possible, 9) un maitre bau assez large aux épaulements de Bouchain bien marqués pour une stabilité transversale maximale, 10) la coque est dessinée et calculée pour une vitesse donnée, inférieure & la vitesse critique en déplacement. On indique ci-après les trois facteurs de résistance à l'avancement. 1) Le coefficient de vitesse "C" est le rapport de la vitesse de flottaison sur la racine carrée de la longueur C ~ V noeuds v ,26 C variera de 1,3 pour un petit bateau de 4 m à 0,8 pour un bateau de 15 mètres. Les valeurs optimales de C se trouvent dans le tableau ci-dessous. 2) Le coefficient prismatique CP va déterminer la résistance minimum à ltavancement. (On retrouve par là les coefficients finesse/trainées ainsi que le rapport du tirant d'eau et la surface mouillée). Les valeurs optimales en fonction des vitesses- désirées optimales correspondantes sont résumées dans le tableau ci-dessous. Coefficient de Coefficient Résistance par vitesse prismatique vagues et dépla cement C CP RW (VL x 3,28 x C = Kg (force) par tonne vitesse) 0,8 0,52 0 kg 680 1 0,55 1 kg 360 Force par 1,1 0,57 2 kg 255 tonne de 1,2 0,585 5 kg 436 déplacement 1,3 0,60 9 kg Multicoques : C > 1,3 à 1,6 0,50 R Très inférieur au tableau 3) L'autre forme importante de résistance à l'avancement est la résistance de friction R. Rf = surface mouillée x V1825 0,048 La surface mouillée exprimée en m2 = 1,45 x Vdéplacement tonnes x longueur à la flottaison x 3,28 La résistance à l'avancement est la somme des résistances = vagues et déplacement + friction. La puissance propulsive est égale à la résistance à l'avancement x la vitesse. On est donc à même, maintenant9 de calculer la puissance nécessaire à faire marcher le bateau en fonction de l'énergie solaire reçue. Exemple de calcul (1) Un catamaran de 4,70 m hors tout, de 4,20 m de flottaison, de 75Q kg de déplacement, pour une vitesse de 5 noeuds. Quelle puissance propulsive et pratique nécessite-t-il ? (N rendement global 0,55). C = 1,3 ce qui donne Rw = 9 kg par tonne 1) Résistance Rw : 9 kg par tonne - ici 9 x 0,75 = 6,3 kg : 6,3 x Vitesse 5 noeuds = 31,5 kg. 2) Résistance friction Rf : Surface mouillée en = 4,66 m2 Rf = = V1,825 x surface mouillée : 100 = 51,825 x 4,65 : 20,5 = 4,29 kg 3) Résistance totale = Rw + Rf = 34,05 + 4,29 = 38,34 kg 4) Equivalence en Watts :@38,34 x 4,98 = 191 W (puissance propulsive) .5) Puissance solaire requise = Puissance propulsive : p (rendements) (ici 0,55) = 191 w : 0,55 = 348 soit 350 W environ 6) Si 1m2 de panneaux fournit en crète 90 W, il faudra 350 W : 90 W = 3,86 m2 soit environ 4 m2 de panneaux solaires (soit par exemple 12 panneaux de 1,20 m x 0,30 m). Exemple de calcul (2) Il s'agit ici d'un monocoque de 4,80 m hors tout, 4,20 m à la flottaison, d'un déplacement de 720 kg pour une vitesse de 4, 5 noeuds. C = 1,2 pour 4 noeuds,5 et R = 5,44 kg par tonne 1) Rw = 5,44 kg par tonne donc ici 5,44 : 0,720 = 3,92 kg = 3,92 x 4,5 noeuds = 17,65 kg 2) Rf - Surface mouillée = 1,45 x 0,72 x 4,2 x 3,28 = 4,58 m2 = 4,51,825 x 4,58 : 20,5 = 3,47 kg 3) R. Totale = 17,65 + 3,47 = 21,12 kg 4) Equivalence en watts : 21,12 x 4,98 t 105,18 W puissance propulsive soit 106 W environ 5) Puissance solaire requise (rendements 0,50) 106 W 0,5 = 212 watts 6) Surface de panneaux solaires 212 W : 90 = 2,35 a (soit par exemple 8 panneaux de 1,20 m x 0,30) soit 2,50 m2. On voit ici que pour passer de 4 noeuds 5à 5 noeuds, il faut passer de 2,50 m2 à 4 m2 de panneaux solaires et encore avec un catamaran. La surface de batterie solaire doit donc etre importante. En se reportant à la figure 2, on voit que le bateau monocoque 18 a son avant-pont 19 recouvert de panneaux de batteries solaires 20, tandis que le toit ou rouf 21, à l'arrière du pare-brise 22, est recouvert d'autres panneaux de batteries solaires 23. A la figure 3, on a représenté une série de panneaux de batteries solaires 20 et 23 qui se déploient autour d'axes tels que 24 pour s'ouvrir à la manière d'un livre. Dans la partie droite de la figure 4, on a représenté de tels panneaux 25, 26, 27, 28 qui s'ouvrent pivotant autour d'axes 29, 30 suivant les flèches 31, 32. Dans la partie gauche de la même figure, les panneaux 33, 34 peuvent s'escamoter sous les panneaux 35, 36 ou glisser vers l'extérieur, dans le sens des flèches 37, 38e Cette même figure 4 représente un bateau de type catamaran dont on reconnaît les deux coques 39, 40. A la figure 5, on a représenté un bateau en plan avec un rouf 41 derrière le pare-brise 42 et qui est garni de cellules photovoltaïques sur les passavants 43, 44. Des panneaux supplémentaires escamotables 45, 46, qui peuvent se glisser sous les passavants 43, 44, sont articulés à l'avant en 47, 48 et peuvent prendre les positions qui ont été représentées en traits pleins en 46 ou en traits pointillés en 45. Le système d'articulation des panneaux photovoltaïques peut varier sans sortir du cadre de l'invention. A la figure 4, on a représenté un système de déploiement dans la partie droite et de coulissement dans la partie gauche. A la figure 5 on a représenté un sys terne d'escamotage par articulation. A la figure 6 on a représenté une série de panneaux 49 à 53 qui sont reliés par des charnières verrouillables telles que 54 à 57 pour que, déployées, ils prennent la position représentée à la figure 7. On a vu qu'un panneau de cellules photovol taiques de 1 m2 pouvait, dans un ensoleillement favorable, comme celui qui existe dans le sud de la France, produire une puissance de 90 W. En réalité, avec les rendements de stockage de l'énergie dans la batterie 13, le rendement du moteur, et autres rendements mécaniques, un panneau d'un m2 permet de disposer de 65 W et d'une énergie d'environ 450 W/h par Jour. Cela correspond à une utilisation de 450 W pendant une heure ou 45 W pendant dix heures par m2 de panneaux de cellules photovoltaïques et avec une batterie 13 de capacité appropriée. On peut aussi utiliser des dispositifs flottants consommant beaucoup moins d'énergie, comme les bateaux apparentés aux planches à voile mais, sans voile. Dans ce cas, pour une vitesse de 4 à 6 noeuds, la puissance nécessaire n'est que de 95 W et > alors, il ne sera pas nécessaire de prévoir de batterie tampon puisque des panneaux dXune surface de 2 à 3 m2 seront suffisants. Naturellement, les études hydrodynamiques des bateaux devront être poussées pour réduire au maximum la résistance à l'avancement. Dans le cas d'un monocoque, la coque doit avoir des formes rondes pour assurer un meilleur passage dans l'eau avec un coefficient de traînée inférieur à une coque à bouchains. On choisit une coque relativement large au martre bau et aux épaulements de bouchain bien arqués qui apportent une grande stabilité transversale. Les lignes d'entrée d'eau à lavant sont les plus fines possibles afin de fendre le clapot sans taper sur les vagues. On prévoit un franc bord généreux à l'avant et une étrave fine pour éviter des chocs dans l'eau. La poupe a une forme norvégienne pour assurer un meilleur écoulement du filet d'eau avec une traînée mini- mum. I1 va de soi que, la surface des modules de cellules photovoltaïques dépend de l'utilisation que l'on veut faire du bateau, des capacités de batterie à charger et de la puissance que l'on veut obtenir en tenant compte de la taille du bateau. Les performances pourront vraisemblablement être améliorées parallèlement à l'amélioration du rendement des cellules photovoltaïques. REVENDICATIONS 1. Bateau à propulsion par moteur électrique alimenté par batteries d'accumulateurs c a r a c t é r i s é par la combinaison a) d'une coque 18 assurant le minimum de résistance à llavan- cement aussi bien dans les eaux calmes, que dans le clapot, et que suivant la charge, c'est-à-dire une coque ayant un coefficient de finesse maximum, une trainée minimum, un coefficient de pénétration important pour des vitesses de -3 à 7 noeuds, et roulant peu, grâce à une grande stabilité de forme assurant un écoulement laminaire des filets d'eau pour la vitesse prévue, b) de panneaux 4, 5, 20, 23 captant l'énergie solaire pour la transformer en électricité, à surface la plus grande possiblé, répartis dans les superstructures du bateau à l'abri des proJections veau. 2. Bateau, tel que défini dans la revendication 1, c a r a c t é r i s é par le fait que les panneaux 20, 23 sont répartis sur la plage avant et au-dessus du cockpit ou du rouf 21 ou du taud. 3. Bateau, tel que défini dans lune ou l'autre des revendications 1 ou 2, c a r a c t é r i s é par le fait que des panneaux supplémentaires 26, 28, 33, 34, sont superposables au repos, au niveau des panneaux fixes 20, 23, 25, 27, 35, 36, et peuvent se déployer, en marche, ou tout au moins dans les moments où l'on veut capter le maximum d'énergie solaire. 4. Bateau, tel que défini dans l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, c a r a c t é r i s é par le fait que les panneaux supplémentaires 49 à 53 se replient les uns sur les autres à la manière d'un paravent. 5. Bateau, tel que défini dans lune ou l'autre des revendications 1 ou 2, c a r a c t é r i s é par le fait que les panneaux supplémentaires 33, 34 coulissent les uns sous les autres à l'aide de glissières0 6. Bateau, tel que défini dans l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, c a r a c t é r i s é par le rait que les panneaux supplémentaires 45, 46 sont articulés autour d'axes verticaux 47, 48 et peuvent s'écarter latérale- ment à la manière des ailes d'avions à géométrie variable.