Brevet FR2511438A1 — publié le 19830218

DISPOSITIF PERMETTANT D ' UTILISER L 'éNERGIE DE LA HOULE MARINE. La présente invention a pour objet les dispositifs permettant d'utiliser l'énergie développée par la houle marine. Il a déjà été conçu plusieurs dispositifs poursuivant ce même but. Certains, qui fonctionnent à la manière d'une usine marémotrice sont maintenus ancrés sur le sol marin pour être situés à un niveau constant par rapport à la surface de la mer et comportent un ou plusieurs réservoirs qui se remplissent au passage de la houle pour se vider aussitôt après à travers un élément moteur du type turbine qui est ainsi animé pour la production d'une énergie utilisable. Mais la plus part des dispositifs connus portent un flotteur qui, sous l'effet de la houle, se déplace verticalement par rapport à une structure fixe qui le guide et à laquelle il est relié par un moyen mécanique capable de transformer le mouvement alternatif de translation verticale en un mouvement de rotation d'une turbine, les plus perfectionné des dispositifs connus de ce genre transformant en un mouvement de rotation continu dans le même sens chacun des deux mouvement de translation verticale provoqués par la houle, ce resultat étant généralement réalisé par une crémaillère ou un axe coopérant alternativement avec une ou plusieurs roues à cliquet inverses, reliées elles-m & es à des engrenages qui sont ainsi animés dans un mime sens Mais on remarque que chacun de ces dispositifs , n'utilise que le mouvement ascensionnel vertical provoqué par la houle qui à son passage élève le flotteur d'une certaine hauteur, qui correspond & la différence de niveau existant entre le creux et le haut de la vague par rapport au plan d'eau normal. Or il a été remarqué que lton pouvait augmenter dans de notables proportions, pour une même hauteur de houle, l'angle utile de déplacement des flotteurs, cet accroissement pouvant aller même jusqu'à doubler la puissance ainsi recueillie, sans que pour autant l'importance de l'appareil, donc son coût,soit augmenté dans la même proportion . En effet le dispositif objet de l'invention obtient ce résultat à partir d'une même structure fixe d'ancrage qui constitue un élément important du prix de revient, et qui n'est pas majoré pour les besoins de l'installation telle qu'elle est conçue, malgré son accroissement de rendement. Selon le principe de la présente invention en effet, des des flotteurs auxiliaires sont articulés de part et d'autre des éléments mobiles du système, qui sont eux-mêmes animés verticalement par le flotteur principal. Ces flotteurs auxiliaires sont fixés pour cela à des bras qui par leur dimensions peuvent permettre à chacun des ensembles de flotteurs auxiliaires d'être déphasé d'une demipériode de l'onde de houle'par rapport au flotteur principal de part et d'autre duquel ils sont installés, ce dernier restant lui-même animé verticalement de son impropre mouvement. Ces flotteurs auxilaires sont reliés par un moyen quelconque, mécanique ou hydraulique, au même mécanisme de transformation de mouvement auquel le flotteur principal transmet son énergie, ou à des systèmes de transformation d'énergie indépendants du dispositif principal. Tout se passe alors comme si l'organe de transformation du mouvement était sollicité par le flotteur principal sur une hauteur plus grande que la hauteur réelle de la houle , hauteur relative qui peut atteindre le double de la hauteur de la houle quand la distance des flotteurs auxiliaires au flotteur principal est égale à la demi longueur d'onde de la houle. De toute manière cette hauteur relative tend vers cette valeur du double dans la mesure où la distance des flotteurs auxiliaires au flotteur principal tend elle-même vers la valeur de la demi longueur d'onde de la houle. Les dessins annexés, donnés & titre d'exemple seulement, montrent un mode de réalisation de l'objet de la présente invention La figure 1 est un diagramme exposant le principe du dispositif. La figure 2 est une vue schématique cavalière du dispositif objet de l'invention. Ainsi que le montre la figure 1 ,' le flotteur principal 1 se déplaçant sur la structure fixe verticale 4 ancrée dans le sol marin, on constate qu'il se déplacera verticalement le long de ladite structure en suivant les mouvements verticaux de la houle. Il passera donc alternativement de la position basse (A) à la position haute (B), s'élevant ainsi de la hauteur (h) qui est l'amplitude de l'onde de houle houle, dont la longueur d'onde est (). Lorsque au niveau de ce flotteur 1 on articule de part et d'autre, dans le sens de déplacement de la houle , les bras munis chacun à leur extrémité libre d'un flotteur (2 àu 3), la longueur (d) de chacun d'eux ayant pour valeur approximative : (d a i/2 2 cos (o( étant l'angle de hauteur moyenne de la vague), on constate que pendant le même temps que le flotteur principal se déplacera de la hauteur (h) chacun de ces deux flotteurs auxiliaires 2 et 3 se déplaceront aussi et simultanément de cette même hauteur (h), mais se trouvant à tout instant en opposition de phase par rapport au déplacement du flotteur principal 1 . Leur mouvement, qui est transmis au même dispositif de transformation de mouvement que le flotteur principal 4, ou à un dispositif associé s'ajoutera donc au mouvement de celui-ci . Et la valeur (E) de l'énergie ainsi transformée sera égale à (2e) soit deux fois l'énergie transformée par le seul flotteur principal, si la distance de chaque flotteur auxiliaire au flotteur principal est égale à ( d =g/2cos Ot) définie ci dessus, ce qui constitura la valeur maxima du rendement du système. Cette valeur ne sera évidemment pas toujours atteinte, la longueur d'onde de la houle étant essentiellemnt variable dans le temps et selon le lieu d'implantation marine du dispositif. Mais l'accroissement de l'énergie ainsi recueillie tendra toujours vers cette valeur,montrant bien l'avantage apporté par un tel dispositif qui ne nécessite aucune infrastructure d' ancrage supplémentaire, d'ancrage Ce résultat est d'ailleurs bien représenté par la figure 1 sur laquelle en traits pleins figure la position du flotteur principal et celle des flotteurs auxiliaires en deux points (A) et (A') en opposition de phase , montrant le flotteur 1 dans ses positions extrèmes distantes entre elles de la hauteur (h). Et en traits pointillés la mime figure représente simultanément , dans chacune de ses positions, la position de ensemble du dispositif dans la position relative angulaire des flotteurs 1,2 et 3 & l'instant situé à une demi longueur d'onde de l'instant précédent. On voit qu'en (A) tout se passe, angulairement, comme si, les flotteurs auxiliaires 2 et 3 étant restés immobiles sur le plan d'eau, c'était le flotteur principal 1 qui s'était déplacé par rapport à sa position (A') d'une hauteur(H= 2h). De même en (A') tout se passe , angulairement, comme si, le flotteur principal 1 étant resté immobile sur le plan d'eau, c'était les flotteurs 2 et 3 qui s'étaient déplacés par rapport à leur position (A) de cette même valeur (H=2h). n est rappelé que cette valeur de (H) est la valeur maxima pouvant être atteinte lorsque la longueur de chacun des bras 15 et 16 est sensiblement égale à (d = #/2 cos &alpha;), qui n'est évidemment pas toujours réalisée. En pratique, selon la figure 2, le dispositif objet de la pré sente invention comporte le mât métallique d'ancrage vertical 4 qui est taillé à sa partie supérieure, sur toute la hauteur utile, en forme de crémaillère cylindrique le long de laquelle se déplace librement le chassis 5 qui comporte, selon deux axes orthogonaux' les deux paires de galets 6 et 7 taillés en forme d'engrenage qui engrènent sur la crémaillère cylindrique 4, quelle que soit l'orientation dans le plan horizontal du chassis qui les porte, en même temps qu'il guide ce chassis 5 dans ses mouvements verticaux le long du mât 4. Au moins une de ces deux paires de galets comporte sur l'axe de chacun de ces galets une pompe hydraulique à engrenages telle que 8 et 9, chacune d'elles étant donc entrainée par chacun des dits galets par l'intermédiaire d'un multiplicateur lors de chaque mouvement du chassis 5 sur le mât 4. Ces deux pompes 8 et 9 sont montées de telle manière qu'au moins l'une d'elles se trouve toujours en compression quel que soit le mouvement ascendant ou descendant du chassis 5 qui les entraine, de façon qu'il y ait toujours une pompe en pression quelque soit le mouvement effectué par ledit chassis. Un chassis intennédiaire 10 en forme de parallélogramme est articulé autour de l'axe 23 selon une médiane sur le chassis 5. Il est muni, selon l'autre médiane et extérieurement, des deux bras en opposition 11. et 12 orthogonaux à ses flancs qui les portent,Et chacun de ces bras 11 et 12 porte à son extrémité libre, de façon articuée , un flotteur, tel que 4 et la. L'ensemble de ces deux flotteurs est ainsi capable de maintenir eli état de flottaison l'ensemble ci-dessus décrit, étant capable de supporter son poids ainsi que les forces de réaction due,s au fonctionnement des turbines 8 et 9 sur le chassis 5..Cet ensemble mobile montera et descendra de ce fait le long du mat 4 selon le niveau de l'eau sur laquelle sont posés les flotteurs 1 et la, actionnant ainsi les turbines 8 et 9 dès l'instant qu'ils sont en mouvement et quelqu'en soit le sens Pour assurer le mouvement relatif des chassis 5 et 10 par rapport au mât 4 en fonction des mouvements de la surface de l'eau, ce mat 4 est rendu solidaire du sol marin, directement lorsqu'il est implanté en mer peu profonde, ou bien par l'intermédiaire du flotteur immergé 13 dont il est solidaire et qui est immobilisé par rapport au fond marin par au moins trois élingues 14, qui sont donc toujours maintenues fortement tendues, quelque soit le mouvement de la surface, même si en mer profonde le flotteur 13 n'est pas en contact avec le sol . Cette tension permanente est obtenue grâce au volume de ce flotteur 13 qui est suffisant pour que la poussée hydraustatique qu' il subit soit très supérieure au poids de l'ensemble du dispositif qu'il supporte par l'intermédiaire du mat 4 ainsi qu'aux efforts de réaction aux quels ce mât est soumis de la part des organes mobiles qu'il porte et des pressions que ceux-ci exercent sur lui par l'inter~ médiaire des organes moteurs mécaniques ou hydrauliques qu'il com porte. Le chassis intermédiaire 10 articulé sur le chassis principal 5 porte lui-même, articulés sur lui dans un plan orthogonal à sa pro pre articulation 23, de façon à former ensemble une articulation à la Cardan, les bras 15 et 16 qui sont lancés de part et d'autre dudit chassis intermédiaire 10. Chacun de ces bras 15 et 16 porte à son extrémite libre, orthogonalement à lui, l'un des balanciers 17 et 18 articulé aussi en 29, chacun d'eux se déployant de façon équilibrée de part et d'autre du plan médian qui passe par cet axe 29 et l'axe du mat 4.Et chacun des balanciers 17 et 18 porte lui-même à chacune de ses extrémités 30 et 31 un flotteur, tel que 2 et 2a pour l'un d'eux, et 3 et 3a pour l'autre, ces flotteurs, qui constituent les flotteurs auxiliaires du système, étant eux-mbmes articulés sur chacun des balanciers 17 et 18 au moyen d'une articulation à la Cardan formée par les axes orttrogonaux 32 et 33, Une articulation de même nature relie les flotteurs 1 et la aux bras il et 12 qui les portent, cette articulation & la Cardan étant en ce point constituée par les axes 34 et 35. On comprend donc, comme il a été vu sur la figure 1, que chaque couple de flotteurs auxiliaires 1-la, 2-2a, 3-3a suivra indivi duellement le mouvement des vagues, Mais chacune des paires de flotteurs 2 et 2a d'une part et 3 et 3a d'autre part agissant simul tanément de part et d'autre du chassis intermédiaire 10 animeront les bras 15 et 16 de part et d'autre de ce chassis en fonction du mouvement des vagues de la manière qui a été indiquée à l'occasion de l'étude de la figure 1 , en s'articulant autour des axes 19 et 20.Et ces bras 15 et 16 étant calculés d'une longueur proportionnelle à la longueur d'onde moyenne de la houle à l'endroit d'implantation con sidéré, c'est à dire une longueur sensiblement égale à (d=l/2cos o') ci-dessus ,on comprend que,comme il a été indiqué ci-dessus et représenté sur la figure 1 ,le déplacement relatif des groupes de flotteurs extrèmes 2 et 3, quand ils suivront la houle, par rapport aux flotteurs centraux 1 , sera le double du mouvement de ces flotteurs 1 par rapport au plan fixe du flotteur 13 qui supporte l'ensemble du dispositif. Ces mouvements relatifs des bras 15 et 16 par rapport au chassis intermédiaire 10, sur lequel ils sont individuellement articulés, sont utilisés pour mettre en mouvement les couples de vérins hydrauliques à double effet 21 et 21a, 22-22a. De sorte que chaque mouvement de chacun de ces bras par rapport audit chassis assurera la mise en pression de ces vérins quelque soit le sens de ces mouvements, haut ou bas . En outre, puisque le chassis intermédiaire 10 est aussi articulé en 23 sur le chassis principal 5 , les flotteurs 1 et la transmettront leurs mouvements aux vérins 24 et 25 qui relient le chassis intermédiaire 10 au chassis principal 5.Les mouvements de la houle secondaire, qui sont orthogonaux à la direction principale de la houle, ou qui tout au moins comportent une composante orthogonale à 'celle-ci, seront pris en compte, Il en est de meme des balanciers 17 et 18, situés à l'extré- mité des bras 15 et 16 et articulés sur eux ,qui transmettront aux vérins à double effet 36 et 37, qui les relient à leur bras 15 ou 16, les mouvements latéraux qu'ils suivroht sous effet des paires de flotteurs 2 et 2 & ou 3 et 3a. De sorte que de cette façon tous les mouvements de la houle, quelles que soient leur direction et leur complexité, seront finalement suivispar l'ensemble des paires de flotteurs 1, 2 ou 3,chacun de. leurs mouvements se traduisant,quel que soit leur sens, par une mise en compression de l'organe hydraulique auquel. ils sont liés par les moyens décrits, que ce soit vérins ou pompes & engrenages. L'énergie marine sera donc ainsi captée au maximum Et pour accroftre encore le rendement de l'engin et utiliser le moindre mouvement de la surface des eaux, même ceux qui ntaffec- tent uniquement qu'un seul flotteur et qui seraient insuffisant pour pouvoir mouvoir l'ensemble de la structure,chacun des flotteurs (1 , la, 2, 2a, :3, 3a), qui sont montés sur une articulation à la Cardan, mettent aussi en pression lors de chacun de leurs mouvements propres les vérins à double effet 26 , 27 , 38, 39 40, 41 qui relient entre eux les éléments de leur articulation. Ainsi les moindres mouvements de la surface seront productifs d'énergie, car chacun des organes hydrauliques ci-dessus décrits est relié à une turbine hydraulique qui entraine un générateur elecr trique qui débite dans une batterie d'accumulateurs qui recueille et stocke l'énergie ainsi produite, qui peut être utilisée sur place ou acheminée par cable vers le littoral ou tout bâtiment flottant à proximité. On remarque en outre que la mobilité totale de chacun des éléments par rapport aux autres ,(le chassis par rapport au mât dans le plan vertical et horizontal, les bras par rapport au chassis, les balanciers par rapport aux bras, et chacun des flotteurs par rapport au bras et au balancier qui les porte), permet aussi de supprimer tout effort de torsion de l'ensemble de la structure qui pourraient en provoquer la rupture si une telle souplesse n était pas réalisée. Par ailleurs, afin de toujours maintenir l'ensemble de l'en- gin dans le sens de la houle principale, afin de se rapprocher de l'épure idéale des mouvements représentée par la figure 1 ,un des bras 15 ou 16 articulé sur le chassis intermédiaire 10 est muni de la dérive 28 , ce qui amènera l'ensemble de la structure à garder un cap déterminé imposé à tout moment par le courant des eaux de surface, donc & maintenir le dispositif dans la position la plus favorable par rapport à l'orientation de la houle, On comprend donc ainsi que tous les mouvements de va et vient subis par l'ensemble des flotteurs, sous l'effet de la houle dans le plan vertical, aussi bien que tous les mouvements d'oscillation subis par chaque flotteur independamment les uns des autres, se traduiront par le mouvement d'au moins un organe de transmission, tel que l'un des organes hydrauliques ci-dessus décrits, ou tout autre organe mécanique, tels que channes ou engrenages, qui transmettront à tout instant la totalité de l'énergie recueilie (au rendement prés) aux génératrices électriques avec lesquelles ils sont couplés ,directement ou non, qui seront ainsi animées de façon pratiquement continue d'un mouvement de rotation dont la vitesse variera en fonction de la fréquence de la houle, de son amplitude et de sa longueur d'onde, le maximum de rendement étant atteint lorsque la houle présente une longueur d'onde (1) qui soit, par rapport à l'envergure totale de l'appareil (D) d'une éxtrémité à l'autre de ses bras articulés, dans la proportion (D = cos #),l'ensemble du dispositif restant toujours orienté dans le sens du déplacement de la houle grâce à la dérive 28, se trouvant donc à tout moment orienté, à l'instant donné, selon le maximum d'amplitude de la houle assurant ainsi le maximum de rendement à l'appareil à chaque instant. On comprend donc que si même ,compte tenu du fait que la houle ne présente pas des caractéristiques constantes, ce maximum de récupération d'énergie possible n'est pas constamment atteint, un tel dispositif permet de toute manière un accroissement considérable de l'énergie qui pourrait être récupérée par les seuls flotteurs 1 et la qui n'agissent que dans l'axe du mât 4, selon les procédés actuellement connus, ce qui évite de -multiplier les dispositifs, donc de multiplier leur infra-structure qui est un élément particulièrement onéreux du système. Il est bien entendu que l'exemple ou les exemples qui en ont été donnes' à titre - d'exemple seulement ne fixent pas les limites de l'invention, toute variante considérée comme équivalence ne pouvant en modifier la portée C'est ainsi que les articulations des bras peuvent être autres que celles décrites, ainsi que les bras eux-m^mes. n en est de même des éléments de transmission des mouvements qui peuvent être réalisés par tout autres moyens, tels que mécaniques, par l'intermédiaire de chaînes, d'engrenages, de leviers ou de tout autre dispositif muni aussi de roues à cliquet à la manière des dispositifs connus , l'inven- tion étant caractérisée essentiellement par la présence des bras articulés munis de flotteurs de part et d'autre du ou des flotteurs prin cipaux qui agissent verticalement selon l'axe du mat qui le ou les porte De même les organes qui transmettent l'énrgie reçue aux génératrices électriques peuvent être autres que les organes hydrauliques ci-dessus cités, que la génératrice soit unique ou qu'il existe autant de génératrices qu'il existe d'articulation, chacune d'elles débitant sur le même réseau La présente invention peut être utilisée pour la production d'énergie électrique en vue d'alimenter soit une balise marine qui peut être solidaire ou non du mât 4 , soit une plateforme flottante dont le mât 4 peut être solidaire ou non, soit meme une installation terrestre proche du point d'ancrage du dispositif et auquel elle est reliée par un cable sous-marin REVENDICATION S 10) Dispositif permettant la récupération de l'énergie des vagues Caractérisé par le fait qu'il comporte, de part et d'autre d'un chassis 10 porté par un ou des flotteurs I capables de le mouvoir verticalement le long d'un mât 4 immobilisé en mer, des bras 15 et 16 articulés sur ledit chassis flottant et portant eux-mêmes à leur éxtrémité libre des flotteurs 2 et 3 capables de les faire se mouvoir sous l'effet de la houle de manière que chacun de ces flotteurs auxiliaires extrèmes puisse se trouver au sommet de deux vagues successives, ou le plus proche possible de ces sommets, lorsque le ou les flotteurs principaux 1,qui se meuvent le long du mât 4, se trouvent dans le creux de la vague , et inversement. 20) Dispositif selon la revendication 1, Caractérisé par le fait que le mât métallique 4 vertical, en forme de crémaillère cylindrique , immobilisé par rapport au fond marin, le long duquel se meut le chassis 5 muni selon deux axes orthogonaux de deux paires de molettes 6 et 7, dont une paire au moins engrène avec ladite crémaillère 4 afin de transformer en mouvement rotatif le mouvement de va et vient dudit chassis le long dudit mât le dit mouvement étant provoqué par la flottaison des flotteurs 1 et 2a située dans ufl mgme plan, diamétralement opposés et liés audit chassis 5 de façon mobile par l'intermddiaire d'un chassis auxiliaire 10 envie loppant le premier et lid sol lui par des tourrillons selon un axe X dian 23 orthogonal aux bras 1 1 et 12 qui portent à l'extrémité libre de chacun d'eux l'un des flotteurs 9 et la 30) Dispositif selon la revendication 2 Caractérisé par le fait que le chassis auxiliaire 10, articulé sur le chassis principal 5 qui, sous l'effet des flotteurs latéraux I et 4a, se déplace le long du mât 4 en forme de crémaillère, guidé par deux couples de molettes 6 et 7, porte lui-même deux bras 15 et 16 diamétralement opposés entre eux ,articulés dans le plan vertical qui contiert le mât 4, sur ledit chassis intermédiaire 10 selon les es axes 19 et 20 orthogonaux à l'axe 23 autour duquel ledit chassis intermédiaire est mobile, lesdits bras 15 et 16 portant chacun à leur extrémité libre située dans le même plan et orthogonaux à eux les balanciers 17 et 18 articulés sur les bras 15 et 16 de façon équilibrée, et portant eux-mêmes à chacune de leurs extrémités un flotteur auxiliaire 2 et 2a pour lun et 3 et 3a pour l'autre 40) Dispositif selon la revendication 3, Caractérisé par la fait que la longueur (d) de chacun des bras 15 et 16 qui supportent les couples de flotteurs auxiliaires 2 et 3 est aussi proche que possible de la valeur (d=t/2cos 0ç) dans laquelle (O est la longueur d'onde moyenne de la houle au point d'implantation considéré et ( ) l'angle de hauteur moyenne de la houle 50) Dispositif selon la revendication 4, Caractérisé par le fait que chacun des flotteurs 1-la, 2-2a, "-3a sont liés à chacun des bras qui les porte au moyen d'un dispositif d'articulation à la Cardan, afin de leur permettre de réagir individuellement sous l'effet d'oscillations du plan d'eau même insuffisantes pour pouvoir mouvoir l'ensemble du dispositif, et quelle que soit la direction desdites oscillations, 6 ) Dispositif selon l'ensemble des revendications précédentes Caractérisé par le fait que chaque articulation du dispositif, telle celle duchassis intermédiaire 10 par rapport au chassis principal 5,. des bras 15 et 16 par rapport au chassis intermédiaire 10, des balanciers 17 et 18 par rapport aux bras précédents, et de tous les flotteurs par rapport & chacun des bras qui les porte, est munie d'un moyen capable de transformer le mouvement d'oscillation des éléments articulés entre eux en un mouvement de rotation continu, tel que des vérins hydrauliques à double effet qui relient, chacun, les éléments de chaque artiEulation par exemple 21, 22,24,25,26,27,36,37,38,39, 40,41 g la pression hydraulique ainsi créée linéairement par chacun d'eux animant an rotation une turbine hydraulique reliée elle même à une génératrice de courant éléctrique. 7 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, Caractérisé par le fait qu'il comporte au niveau des extré- mités libres de l'un seulement des bras auxiliaires 15 ou 16 au moins une dérive 28 immergée capable de maintenir l'ensemble du dispositif toujours dans le sens de déplacement de la houle. 80) Dispositif selon l'ensemiile des revendications précédents, Caractérisé par le fait que le mât 4, qui porte l'ensemble du dispositif, est solidaire du flotteur 13 immergé et ancré sous tension au sol marin par au moins trois élingues 14, si même il ne repose pas sur le sol lui-même du fait de la profondeur des eaux en ce point, ledit flotteur étant capable dans ce cas ,par la poussée hydrau statique qu'il subit ,de supporter le poids du dispositif objet de l'in vention ainsi que les forces de réaction qu'il subit de la part des pompes hydrauliques 8 et 9 animées par le mouvement du chassis 5 sur le mât 4, ainsi que tous autres efforts qu'il subit de la part des vérins, ou autres organes de transmission des mouvements, tout en assurant une tension suffisante sur lesdites élingues pour maintenir l'ensemble parfaitement immobilisé dans l'espace par rapport au sol.