Brevet FR2525694A1 — publié le 19831028

La présente invention conçerne un proçédé d'agencement de centrale énergétique fluviale au fil de l'eau,utilisant l'augmentation de la vitesse du courant d'eau résultant d'un resserrement artificiel d'une partie de section mouillée de rivière provoquée par un ouvrage déviateur de courant. La technique actuelle de génération de force motrice à partir des rivières, fait appel dans la quasi totalité des cas,à une chute obtenue par un barrage coupant transversalement le cours d'eau0 Outre les inconvénients d'un barrage,les Sites propices sont pratiquement épuisés à ce Jour, et l'estension de de production d'éner gie par ce moyen s'en trouve paralysée. Le procédé proposé dans la présente invention permet de récupérer une importante quantité de l'énergie véhiculée dans le courant d'eau et actuellement perdue. Il apporte en outre,le gros avantage de s'accomoder d'une multitude de Sites disponibles le long des cours d'eau. La description ci après est explicitée par les dessins joints donnant des exemples,non limitatifs,permettant d'aboutir à uneréalisation pratique. La Fig. 1 montre le resserrement d'une partie de la section mouillée a l'aide d'un ouvrage déviateur () du type Jetée simpli fiée,interçeptant une certaine largeur d'eau en amont. Le positionnement sera de préférence le coté intérieur d'une courbe de sorte qu'en régime de crue,le courant principal et les objets charriés dans cette situation,passent au large par dessus le déviateur.Ce dernier peut constituer en un enrochement ou autre cons truction usuelle en la matièresémergeant quelque peu de l'eau,sur sa face amont,Jusqu'au niveau correspondant au début de régime de crue dans quel cas, le déviateur doit ètre franchi normalement Une faible profondeur d'eau,Gué plus ou moins accusé,est profitable pour la vitesse initiale de l'eau,la réalisation de l'installation et l'évacuation vers l'aval. Le resserrement se termine en une construction,sous forme de deux quais (2) définissant un chenal devant laisser passage a un courant intense et rapide. Une vitesse d'au moins 4 a 5 mètres seconde ou plus, étant souhaitable,la profondeur étant de plusieurs mètres. Les bords latéraux du chenal sont verticaux et parallèles ou légèrement convergents vers l'aval. Ils comportent au moins un, ou plusieurs évidements (3) pratiqués danq la construction, dont la section est demi-cylindrique,l'axe vertical et le diamètre dans l'alignement du bord latéral correspondant selon le principe de la Fig. 2. Des enrochements (4) renforcent la berge en amont et en aval du quai correspondant. Un ensemble de grille (5) et éventuel lement de vannes,peuvent ètre prévues à ltentrée du chenal. En fonction du débit du cours d'eau,divers types d'agencements sont possibles selon les exemples des Fig. 3-4-5 .La largeur d'un chenal est sensiblement égale au diamètre d'un évidement ou deux fois ce diamètre dans le cas d'évidements vis a vis. Chaque évidement est équipé d'une roue hydraulique horizontale a aubes, de diamètre légèrement inférieur à celui de l'évidement et dont l'axe est vertical. Une moitié de roue se trouve ainsi hors de l'évidement,dans le courant,et l'autre moitié,dans l'évide- ment, hors du courant. La Fig.6 montre,en coupe verticale selon un diamètre perpendiculaire au courantsune vue schématique d'une telle roue Deux flasques (6) formés de bras radiaux écartements angulaires égaux et leur carénage,sont solidaires de l'arbre de roue (7).Le carénage fait que chaque flasque prend la forme d'un disque rencontrant peu de résistance dans sa rotation dans l'eau. Deux bras rad aux dans un mème plan verticaux, soutiennent entr'-eux,des aubes re-tangulai- rds (8) chacune solidaire d'un arbre vertical propre (9):rallèle à celui de la roue et pivotant dans les bras supports cs wespondants. L'extrémité supérieure de chaque arbre d'aube reçoit In organe de commande de rotation comme indiqué plus loin. La Fig. 7 montre une possibilité de maintien de la rsle par l'intermédiaire d'un chassis en forme de cadre (IG3 sur lequel elle est articulée par son arbre. Un exemple d'installation dans l'évidement du quai esz donné Fig.8,le chassis étant simplement glissé dans deux guide verticaux (11) ménagés dans la paroi de l'évidement.Un dispositif d releva ment ge a crémaillère ou autre, peut ètre éventuelle prevu entre le guide et le chassis pour faciliter les vérifications ou c tretien de l'ensemble. La roue est complètement immergée et soumise aux influences nropres à deux secteurs diférents:L'un dit ACIP,dans le courant (12), l'autre PASSIF (I3),hors du courant. Le fonctionnement de la roue est explicité snhématiquement par la Fig. 9 . Chaque groupe d'aubes sur un mème bras radial (9) reçoit une commande d'orientation telle qu'une force optimale de l'eau,sur l'arbre de roue, soit obtenue dans le secteur ACTIF contre une résistance minimale en secteur PASSIF. Le couple moteur de la roue est la différence de ces forces. Ainsi de l'entrée en secteur ACTIF jusqu'à la sortie de celuici,chaque aube tourne ,par rapport à la direction radiale de son bras,de sorte que son plan soit maintenu en orientation optimale par rapport à la direction du courant,selon l'exemple de la Fig.9 Par contre, dans tout le secteur PASSIF le plan de chaque aube est maintenu fixe par rapport à la direction radiale de son bras correspondant et reste sensiblement tangent au cercle de circulation de l'arbre d'aube autour de la roue. A noter que dans le secteur PASSIF,les aubes successives se trouvent dans le sillage l'une de l'autre,l'ensemble formant la paroi latérale d'un polygone régulier se rapprochant d'autant plus d'un cylindre que les largeurs d'aube sont réduites.Ceci diminue d'autant les forces Passives dbes a la rotation de la roue dans l'eau de ce secteur,a moins d'un courant circulaire entretenu dans le mème sens par le courant principal. Le cas de Fig 9 suppose une roue a douze bras radiaux et deux couronnes d'aubes.0n pourrait,bien sur,retenir d'autres combinaisons sur ce mème principe,mais il semble qu'une fourchette de 8 a douze bras soit convenable .En dessous, l'efficacité s'en ressent et la complexité devient gènante au-dessus. Un profilage adéquat de la jonction amont quai-évidement (14) favorise l'attaque des aubes en début de secteur ACTIF,celui aval (15) dévie un courant aidant l'entretien du courant circulaire, favorable a la rotation de la roue,et résultant de l'entrainement entre le courant du chenal sur celui en secteur passif. La fig.IO propose un moyen possible de commande d'orientation des aubes.Il utilise des engrenages en renvoi d'angle (I6) action demi nés par un pignon (I?) engrènant lui-mème sur une couronne dentée (I8) restant fixe. Un maneton (20) muni d'un galet (211,et un guide (22) complètent la commande. L'ensemble I6-I7-20-21 et leur liaison, est solidaire de la roue et tourne avec elle,tandis que la demi-couronne et le guide sont solidaires du bâti général (I9). Selon la fig.ll-at l'entraînement du pignon (I7) n'a lieu que sur la demi-couronne,laque11e,correspond au trajet des aubes considéréessdans le secteur ACTIF.Puis, dans tout le secteur PASSIF, Fig. 11-b-le galet (2I) circule dans le guide (22) et maintient le maneton de commande d'aubes dans une position angulaire fixe par rapport au bras radial correspondant. Autant de pignons (I7) que de bras radiaux porteurs d'aubes sont nécessaires et leur agencement ,Fig. I2,constitue la TETE DE COMMANDE. En raison de 1' encombrement angulaire, deux pignons consé cutifsiont décalés en hauteur selon deux niveaux différents auxquels correspondent deux demi-couronnes (in), Par contre > tous le manetons sont au même niveaushors du guide-, seuls les galets empruntant celuici. Un rapport d'entraînement adéquat du pignon (I7) fait que le galet (21) se présente à l'entrée du guide selon l'exemple de la figure.Des rapports proches de l'unité étant retenus, la vitesse de rotation des organes de commande est très fafble,dispensant de graissage les parties immergées.L'effort de commande est par ailleurs faible,du fait que les aubes selcomportent selon le principe d'un clapet papillon. A noter que la roue ne comporte pas de régulation de vitesse, celle-ci ne pouvant jamais devenir prohibitive. Une régulation globale est pratiquée au niveau de l'utilisation de l'énergie comme indiqué plus loin. La différence des forces motrices et résistances,ou couple moteur est reporté sur l'arbre d la roue. Ce couple peut ètre relativement important selon la surface des aubes,le rayon de la roue et la vitesse du courant circulant dans le chenal,dont les valeurs sont prévues a plusieurs mètres ou mètres carrés. Sauf cas particuliers d'err'^i, la vitesse de rotation de la roue sera généralement insuffisante pour une utilisation directe à partir de l'arbre Une multiplication mécanique usuelle est possible mais la diminution de couple qui s'en suit peut ètre nuisi gible pour des applications a vitesse élevée. I1 sera donc préféren tiellement fait appel à un convertisseur d'énergie permettant d'obtenir,sans trop de pertes,une énergie en vitesse nécessaire a partir de celle en vitesse lente fournie par la roue . Parmi différents moyens possibles,on peut utiliser un ensemble compres seur de fluide,liquide ou gazeux, fonctionnant par exemple,en cir cuit fermé. La Fig. I3 donne schématiquement un exemple possible lequel utilise des cellules de compressioi2Gas posées en couronne et pou vant ètre du type a double effet. Elles sont actionnées par un excentrique commun,calé au centre,sur l'arbre de roue ou de renvoi. Le fluide haute pression estcollecté par une conduite (24), une conduite similaire (25),sur l'autre face de la couronne, assurant ltalimentation en hasse pression La Fig. I4 montre le dispositif en élévation dloù il ressort que plusieurs ensembles peuvent ètre actionnés sur le mème arbre et fournir,alors, un débit relativement important en haute pression pour un encombrement raisonnatble.Une variante est donnée Fig 15 dans laquelle les cellules de compression sont placées cote à cote sur un ou plusieurs étages. Toutefois cet agencement parait plus pénalisant du point de vue commande et encombrement. Dans les deux cas, le débit du compresseur varie dans le temps en fonction de la vitesse transmise par la roue,laquelle, est influencée par le débit de la rivière. Quoique possible,il n'est pas prévu,non plus, de régulation du débit du compresseur,la régulation au niveau d'utilisation d'énergie offrant d'autres possibilités tout en simplifiant la roue et le compresseur. Un exemple de générateur drénergie,mécanique ou électrique, fait l'objet de la Fig. I6 et travaille en circuit fermé par raccordement direct aux sorties du compresseur. Le fluide haute pression actionne la tur bine (26) du générateur puis revient à un réservoir de stockage en basse pression (27) d'où il ests nouveau repris par le compresseur. Un organe de régulation (28) agit simultanément sur l'entrée (29) du fluide à la turbine et sur une van de dérivation (30) agissant en sorte que la pression nécessaire à la turbine reste constante. La capacité de cette dérivation est supérieure au débit maximal du compresseur et autorise la fer- meture complète de l'alimentation du générateur pour arrèt éventuel. Cette dérivation absorbe,d'abord,les variations de puissance de la roue hydraulique en répercAssion des variations du débit de la rivière,mais elle peut aussi Jouer le role très avantageux suivant : En fonction du débitdéaiVéelleXun organe mesurant ce débit peut mettre automatiquement en route et arrèter,une ou plusieurs turbines d'égale puissance ou divisionnaires les unes des autres,alimentées ensemble sur une sortie commune du compresseur. Ce procédé permet de profiter au mieux d'une large plage de puissances engendrées sur la roue hydraulique depuis le niveau d'étiage de la rivière Jusqu'à celui de crue ,la roue continuant a fonctionner dans cette dernière situation Du point de vue installation générale,l'ensemble compresseur et générateur peuvent ètre placés dans un local placé au-dessus de la roue ou bien ètre déportés à proximité,mais hors des crues dans les deux cas. Les Fig. I7 a I9,font par ailleurs état d'une autre possibilité d'installation de roues hydrauliques du type ci-dessus décrit. Dans ce cas,le chenal est constitué d'une barge (37) flottante mais convenablement lestée,pouvant ètre directement amarrée en plein courant d'une rivière. Un bouclier (36),en large grille, protège des gros obJets circulant sur l'eau,le lest (31) pouvant ètre des matériaux de rivière. Compresseur et générateur sont alors placés dans un habitacle (32). L'amarrage fait l'obJet de la Fig. I9 dans laquelle un câble ( 33) est tendu en deux branches et clrcuDeNtelle une courroieZ sur deux poulies a gorge (38) implantées sur berge. Le câble est à quelques mètres au-dessus de l'eau,l'amarrage de la barge est fixe aux points (34) et coulisse par galets (35)sur la deuxième branche du câble. En régime de crue,ltensemble peut ètre ramené, manuellement ou automatiquement,à l'abri dans une zone de calme (39) aménagée en berge. L'application des installations ci-dessus décrites,-- -t la production d'énergie en général. -. REVENDICATIONS I)- Procédé d'agencement de centrale énergétique fluviale au fil de lteau,caractérisé en ce qu'il utilise une ou plusieurs roues hydrauliques horizontalessa aubes (8),de conçeption par ticulière,immergées et logées dans des évidements (3) prati qués dans les parois verticales d'un ouvrage formant deux ou plusieurs quais (2) définissant un chenal ou plusieurs,en sor tie aval d'un resserrement artificiel d'une partie de section mouillée d'une rivière. 2)- Procédé d'agencement de centrale énergétique selon reven dication No I,caractérisé en ce que le logement de roue (3)est un volume vertical,demi cylindrique,de hauteur égale a celle du chenal,le diamètre étant sur l'alignement de la paroi cor respondante du chenal. 3)- Procédé d'agencement de centrale énergétique selon reven dications NO I et 2,caractérisé en ce que chaque roue est assujettie et articulée par son arbre,sur un chassis cadre(IO) l'installation dans le logement se faisant en glissant les cô tés verticaux du cadre dans des guides portés par la' paroi du logement . Dans cette position d'emploi,une moitié de roue occupe toute la largeur du chenal et y est soumise au courant rapide,l'autre moitié,étant à l'abri du courant dans le loge ment. 4)- Procédé d'agencement de centrale énergétique selon reven dications NO I et 3 ,caractérisé en ce que les aubes reçoivent une commande d'orientation optimale,telle que, tant qu'elles sont dans le courant, elles pivotent sur elles-mèmes d'environ 2 4 /3,en sens inverse de celui de la roue,ensuite, leur plan est maintenu tangent a leur cercle de rotation autour de la roue,dans tout leur trajet à l'abri du courant dans le loge ment. 5)- Procédé d'agencement de centrale énergétique selon l'ensem ble des revendications ci-dessus,caractérisé en ce que roues et appareillages faisant suite,peuvent ètre installés sur une bargfiarrée en plein courant d'une rivière