Brevet FR2514048A1 — publié le 19830408

Absorbeurde l'énergie des vaques - L'invention est relative à un absorbeurde l'énergie gie des vagues du genre de ceux dans lesquels l'absorption d'énergie dépend de la fréquence des vagues. Des exemples typiques de tels absorbeurs del'énergie des vagues sont constitués par les absorbeurs qui fonction- nent selon le principe d'un corps fixe (bouée) résonnant et les absorbeurs d'énergie qui fonctionnent selon le principe de la colonne d'eau oscillante. L'invention a été particulièrement développée en relation avec une centrale utilisant l'énergie des vagues, dans laquelle non seulement l'énergie des vagues est absor- bée, mais est utilisée pour produire de l'énergie sous une autre forme, par exemple électrique. Dans les absorbeursde l'énergiedes vagues du genre mentionné ci-dessus, l'amplitude d'oscillation, pour une amplitude constante et une fréquence variable des vagues qui arrivent, variera selon une courbe caractéristique de résonance Il est clair qu'on a besoin d'obtenir une grande largeur de bande Ceci peut être obtenu selon l'in- vention en utilisant le phénomène désigné par "résonance de port", ou "resonance en bassin -fermé", et en obtenant de ce fait un mode supplémentaire d'oscillation. Selon l'invention, cette résonance de port est obtenue en plaçant des surfaces de limitation adjacentes à l'absorbeurdé l'énergie de vagues, ces surfaces étant éven- tuellement fixées à l'absorbeur, d'une manière telle que la dépendance de l'absorption d'énergie, en fonction de la fréquence des vagues présente un ou plusieurs nouveaux maxi- umms à des fréquences déterminées par la position des surfaces de limitation. Dans le cas de la résonance de port, la posi- tion de la courbe de résonance sur l'échelle des fré- quencesdépendra de la longueur des surfaces de limitation. Ainsi, en donnant une forme convenable aux surfaces de li- mitation et à l'absorbeur de l'énergiede vagues, on peut déterminer la position de deux courbes de résonance de telle sorte qu'elles donnent ensemble au système une largeur de bande favorable dans la gamme de fréquencespertinente. L'emplacement des surfaces de limitation est calculé sur la base de la théorie connue des vagues, de pré- férence en tenant compte également de la topographie des lieux. De nombreux modes de réalisation sont possibles pour l'invention Par la suite, l'invention sera décrite en liaison avec une centrale utilisant l'énergie des vagues, du genre de celles dans lesquelles une structure en béton immergée,fixée au fond marin, comporte une chambre avec une ouverture immergée à travers laquelle le liquide, c'est-à- dire l'eau de mer, peut entrer et sortir, ce grâce à quoi la masse de liquide à l'intérieur de la chambre est mise en oscillation, ces oscillationsde la masse de liquide agissant sur une masse d'air présente au sommet de la cham- bre et provoquant un écoulement d'air à travers une tur- bine à air qui entraîne un générateur de courant électrique. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit d'un mode de réalisation non limitatif, donnéeavec référence aux dessins annexés. La figure 1, de ces dessins, montre, en coupe longitudinale, une centrale utilisant l'énergie des vagues; La figure 2 est une coupe transversale de cette centrale; La figure 3 est une coupe horizontale de la cen- trale suivant la ligne III-III de la figure 1, à plus grande échelle; La figure 4, enfin, montre une partie de la zone dans laquelle sont situés la turbine et le générateur. La centrale utilisant l'énergie des vagues est construite sous la forme d'une structure en béton comportant une embase, des parois latérales verticales 2, 3, une paroi arrière verticale 4, un toit 5 et une paroi transversale 6 s'étendant entre les parois latérales 2 et 3, et vers le bas à partir du toit 5, cette paroi transversale 6 se terminant à une certaine distance au-dessus de l'embase 1 de manière à former une ouverture 7 vers une chambre dé- finie par les parois latérales 2, 3, la paroi arrière 4, le toit 5 et l'embase 1. Cette embase 1, comme on peut le voir sur les dessins, est creuse et est ainsi munie de compartiments 9 pour du lest La paroi transversale 6 est également creuse, comme représentée Des locaux destinés à contenir des appareils et des équipements destinés au personnel d'exploitation de la centrale, etc, peuvent être prévus de manière appropriée dans cette paroi creuse 6 Comme repré- senté, les parties des parois latérales 2, 3 s'étendent vers le haut audessus du toit 5, de manière à former une chambre 39 qui est ouverte vers le haut Cette chambre ouverte est destinée à recevoir du lest. A l'extérieur de la paroi transversale 6, c'est- à-dire du côté de l'ouverture 7 située vers l'arrivée de l'eau, les parois latérales 2, 3, sont prolongées par des éléments de paroi 10, 11 Comme visible sur la coupe hori- zontale de la figure 3, ces éléments de paroi 10, Il ainsi que des parties des parois latérales 2, 3, peuvent être creux de manière à recevoir du lest et à renforcer la structure. Au sommet de la chambre 8, sous le toit 5, des parois 12, 13 (fig 2) s'étendent vers le bas à partir du toit de manière à définir un compartiment qui s'ouvre li- brement vers l'extérieur par une ouverture 14, dans la- quelle une turbine à air 15 et un générateur de courant associé 16, entraîné par la turbine à air, sont disposés. Une cloison 17 délimite le compartiment à sa partie infé- rieure, et s'étend entre les parois 12, 13 Cette cloison constitue une partie d'un dispositif dont le but est de protéger la turbine à air contre la pénétration d'eau provenant de la chambre 8 Ce dispositif de protection comaprend, en outre, un-corps flottant 18 (ou soupape flottante),par exemple constitué par un corps élastique gonflé, qui est enfermé dans cge 1 Des sections de chambre 20 et 21 ouvertes vers le bas sont formées au sommet de la chambre 8, entre les parois latérales respectives 2 et 3 et les parois respec- tives 12 et 13. Comme indiqué précédemment, la centrale utili- sant l'énergie des vagues est formée par une structure en béton La structure en béton est coulée en cale sèche, la machinerie nécessaire est mise en place, et les compar- timents pour le lestage sont remplis de sorte que la struc- ture de béton flotte de manière stable et régulièrement. La structure en béton peut alors être amenée en flottant comme un ensemble, sur le lieu o on souhaite l'ins- taller et elle peut être immergée en place,sans utiliser d'enginsde levage,par remplissage des compartiments creux de cette structure, avec la quantité requise d'eau Ensuite, du lest supplémentaire peut être ajouté, notamment dans la susdite chambre 39, ouverte vers le haut, prévue au-dessus du toit 5 de la structure en béton Après branchement à un câble relié à la terre (non représenté), la centrale utilisant l'énergie des vagues sera prête pour la produc- tion d'énergie. La centrale utilisant l'énergie des vagues fonc- tionne de la manière suivante. La chambre 8 constitue une chambre d'oscillation communiquant avec la mer par l'ouverture immergée 7 qui faitface à la direction incidente prédominante des vagues Les vagues incidentes vont alors mettre en oscilla- tion la colonne d'eau qui se trouve dans la chambre 8 d'os- cillation Pour une amplitude-constanteet une fréquence variable des vagues incidentes, l'amplitude d'oscillation variera selon une courbe de résonance caractéristique La largeur de bande pour ce mode d'oscillation, toutefois, sera relativement étroite Afin d'obtenir une plus grande largeur de bande, la structure en béton est munie des élé- ments de paroi en saillie 10 et 11 évoqués précédemment, de chaque côté de l'ouverture 7 On obtient ainsi un mode supplémentaire d'oscillation, une"résonance de port" (ou résonance de bassin fermé),devant l'ouverture La position de la courbe de résonance sur l'échelle des fréquences, dans le cas d'une résonance de port,dépendra de la longueur des parois en saillies, 10, 11, qui représententles surfaces de limitation évoquées précédemment, tandis que la position de la courbe de résonance pour l'oscillation de la colonne d'eau dépendra de la géométrie de la chambre d'oscillation. 251 '4048 Les positions des deux courbes de résonance, par conséquent, peuvent être choisies indépendamment l'une de l'autre, mais de telle manière qu'elles donnent, ensemble, au système, une largeur de bande favorable dans la gamme de fréquences pertinente. La colonne d'eau dans la chambre d'oscillation fonctionne comme un piston, qui, alternativement,chasse et aspire l'air à travers la turbine à air 15 Cette turbine est d'un type, connu en lui-même, qui fonctionne suivant la même direction de rotation quelle que soit la direction de l'écoulement du fluide d'entraînement à travers la turbine. Ainsi, il n'est pas nécessaire de rendre l'écoulement d'air unidirectionnel au moyen de soupapes, ce qui serait diffici- le en raison des quantités d'air importantesqui sont en jeu ici Le rotor sur la turbine à air peut comporter huit pales, par exemple, ayant des configurationsd'aile symétri- ques, avec la ligne centrale dans le plan de rotation Un ensemble d'aubes fixes de guidage 22 sert aussi de support pour le bulbe 16 du générateur La turbine à air produit de l'énergie pour entraîner le générateur et en même temps établit une résistance à l'écoulement de l'air de telle sorte que les oscillations sont amorties Le rendement de la turbine doit être choisi de telle sorte que l'a- mortissement soit optimum et qu'ainsi la production d'é- nergie soit aussi élevée que possible Dans un exemple de mode de réalisation possible, le rotor de la turbine pourrait avoir un diamètre extérieur de 8,4 m et tourner à une vitesse de 428 tours/minute La turbine ne peut être dimensionnée de manière à résister à la vitesse de rota- tion de la machine qui serait obtenue en l'absence de charge Pour empêcher l'affolement de la turbine si Je générateur est déconnecté du réseau de puissance élec- trique, il est par conséquent opportun de s'assurer que le générateur sera automatiquement relié à une résistance de freinage électrique, si une telle déconne xion du réseau se produit La vitesse de rotation de la turbine sera alors suffisamment réduite pour permettre d'exercer un freinage mécanique sur la turbine, pour arrêter, et ensuite 14048 bloquer le générateur En cas d'une défaillance quelconque, le frein mécanique permettra d'arrêter le générateur tour- nant à pleine vitesse, les dommages étant alors limités à l'équipement de freinage Les détails de l'équipement de freinage ne sont pas montrés, car ils relèvent de la com- pétence de l'homme de l'art, des composants connus pouvant être utilisés. Dans l'exemple illustré, la puissance de sortie maximale moyenne sur plusieurs périodes de vagues serait de 4 M^î Un générateur synchrone, à vitesse de rotation constante, a été choisi Par conséquent, on n'obtiendra pas une égalisation sur la période des vagues qui résulterait -d$lan effet de volant des masses tournantes La puissance de sortie du générateur variera, de ce fait, entre O et une valeur maximale de 8 Mw deux fois par période de vague Si cette puissance maximale est dépassée, le généra- teur est déconnecté du réseau de puissance et est freiné jusqu' à l'arrêt. Si les pales de la turbine venaient à être immergées dans l'eau lorsqu'elles tournent à pleine vi- tesse, elles se casseraient et il en résulterait une détérioration complète de l'appareillage Pour empêcher que la colonne d'eaun' oscille jusqu'à la hauteur de la turbine, lors de vagues extrêmement hautes, une soupape flottante est placée en face de la turbine Cette soupape flottante comporte un manchon 18 en matière élastomère élastique gonflable qui peut être soulevé par la colonne d'eau de manière à venir s'appuyer contre la cloison 17, fermant ainsi les ouvertures dans cette cloison et isolant le compartiment situé au-dessus de la cloison, de la chambre d'oscillation Si la colonne l'eau oscil- lante s'élève plus haut que ce niveau, elle viendra compri- mer les volumes d'air emprisonnés dans les sections de chambre 20, 21 Ceci engendrera un effet d'amortissement doux et empêchera la colonne d'eau de frapper contre le toit de la structure en béton. La centrale utilisant l'énergie des vagues est prévue pour fonction- ner normalement sans aucune personne à bord;toutefois,lors du démarrage de cette centrale, et toutes les fois o on le souhaite, du personnel peut se trouver à bord de cette centrale. Il est possible de monter à bord de la centrale à partir d'un bateau grâce à un petit quai 23 prévu sur le côté situé à l'abri du vent, ou à partir d'un hélicoptère Comme indiqué précédemment, la paroi transversale creuse 6 peut être équipée de locaux pour l'appareillage et les équipe- ments pour le personnel Le compartiment situé entre la valve flottante, c'est-à-dire, au-dessus de la cloison 17, et le générateur 15, 16 peut être atteint à travers une porte 24 pour l'air Un plancher 25, conduisant au générateur 15, 16, est prévu le long des parois 12, 13. Les oscillations de la press:bn ne sont habituellement pas d'une importance si grande, en tout cas aux faibles puis- sances de sortie de la turbine, qu'elles empêcheraient le personnel d'utiliser ce plancher. Un bâti 26 formant potence, muni de deux poulies 27 et 28,est fixé sur le toit de la centrale Lorsque le générateur 15, 16 doit être démonté pour l'entretien, un treuil 29 est d'abord fixé sur le sommet de la potence (voir fig 4) par exemple à l'aide d'un hélicoptère Le câble du treuil est guidé sur les poulies et passe à tra- vers une écoutille ménagée dans le toit au-dessus du gé- nérateur Les parties du générateur peuvent alors être descendues dans un bateau 30 comme montré sur la figure 4. Le générateur est installé/démonté sous forme d'un ensemble étanche à l'eau. Les surfaces de limitation, formées dans le cas présent par les prolongements 10, 11 des parois latérales peuvent être fixées rigidement à l'absorbeur Lde l'énergie des vagues, comme montré sur le mode de réalisation pris en exemple; toutefois, les éléments de parois ou surfaces de limitation peuvent également être formés par des éléments indépendants En option, ils peuvent s'étendre vers le haut comme des éléments de paroi à partir de l'em- base, fournissant ainsi un accès à l'eau de mer pour s'é- couler entre les éléments de paroi et les faces des parois 2 et 3 qui définissent l'ouverture 7. La centrale utilisant l'énergie des vagues peut, en option, comporter une pluralité de chambres d'oscilla- tions adjacentes, mais il est préférable de les construire comme décrit ci-dessus de manière à faciliter la réalisa- tion et la mise en place, pour des raisons techniques qui apparaîtront immédiatement à une personne du métier. Afin d'obtenir une production d'énergie satisfai- sante à un endroit, 50 unités telles que celle montrée et décrite, peuvent, par exemple, être placées, les unes à côté des autres suivant la longueur du littoral, en étant espacées par exemple d'environ 80 mètres Pour donner un ordre de grandeur des dimensions de la centrale, il convient de noter que la profondeur d'immersion, repré- sentée sur les dessins, est d'environ 30 mètres Les ab- sorbeurs de l'neriedes vagues peuvent être mis en place arbitrairement les uns par rapport aux autres, dans la direction de l'incidence des vagues Les absorbeurs peuvent aussi être disposés de manière équidistante dans une rangée disposée à angle droit par rapport à la direction de l'in- cidence des vagues, ou de manière équidistante dans une rangée parallèle à la direction de l'incidence des vagues. REVENDICATIONS 1 Absorbeur de l'énergie des vagues du genre de ceux dans lesquels l'absorption d'énergie dépend du la fréquence des vagues, caractérisé par le fait qu'il com- porte des surfaces de limitation ( 10, 11) adjacentes à l'absorbeur, ces surfaces étant placées d'une manière telle que la dépendance de l'absorption d'énergie en fonc- tion de la fréquence des vagues présente un ou plusieurs nouveaux maximums à des fréquencesdéterminées par la position des surface de limitation ( 10, 11). 2 Absorbeur selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que les surfaces de limitation ( 10, 11) sont fixées à l'absorbeur. 3 Absorbeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il fonctionne en colonne d 'eau oscillante. 4 Absorbeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il fonctionne en corps fixe (bouée) résonnant. -5 Absorbeur selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par le fait que l'em- placement des surfaces de limitation ( 10, 11) est calculé en tenant compte également de la topographie des lieux. 6 Absorbeur de l'énergie des vagues, en parti- culier pour amortir les vagues et de préférence pour uti- liser l'énergie de ces vagues, comprenant une chambre ( 8) ayant une ouverture ( 7) immergée, à travers laquelle le liquide peut entrer dans la chambre et sortir de cette chambre, ce grâce à quoi, la masse de liquide à l'intérieur de la chambre est mise en oscillation, et des moyens pour capter l'énergie à partir du système oscillant en amortis- sant les oscillations de la masse de liquide, caractérisé par le fait que de chaque côté de l'ouverture ( 7), des éléments de parois ( 10, 11) agissant comme des surfaces de limitation sont disposés de telle manière que la dé- pendance de l'absorption d'énergie en fonction de la fréquence des vagues, présente un ou plusieurs niveaux maximums à des fréquences déterminées par l'emplacement des surfaces de limitation. 14048 7 Absorbeur selon la revendication 6, dans lequel les moyens d'amortissement et pour capter l'énergie comprennent un compartiment contenant de l'air à l'intérieur de la chambre ( 8) au-dessus de la masse de liquide, et une turbine à air ( 15) qui est mise en mouvement par les écoulements d'air résultant de l'oscil- lation de la masse de liquide dans la chambre ( 8), carac- te-r risé par le fait qu'une coupape flottante est prévue pour empêcher la masse de liquide d'osciller jusqu'à la turbine à air. 8 Absorbeur selon la revendication 7, carac- térisé par le fait que la soupape flottante comprend une cloison horizontale ( 17) -à l'intérieur de la chambre ( 8) au-dessus de la masse de liquide et un corps flottant ( 18) qui peut être soulevé par la masse de liquide de ma- nière à venir s'appuyer contre la surface inférieure de la cloison ( 17) lorsque la masse de liquide a tendance à osciller jusqu'à la turbine à air ( 15). 9 Absorbeur selon la revendication 8, carac- térisé par le fait que le corps flottant ( 18) est consti- tué par un corps élastique gonflé, par exemple un manchon en matière élastomère gonflé. Absorbeur selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé par le fait qu'il com- porte au moins une section de chambre ( 20, 21) ouverte vers le bas, située au-dessus et sur le côté de la valve flottante.