Brevet FR2580337A1 — publié le 19861017

La présente invention a pour objet un dispositif de production d'énergie électrique à partir de l'énergie des vagues d'eau de mer. Suivant l'invention, ce dispositif comprend une turbine pourvue de pales montées autour d'un arbre central et agencées de manière à pouvoir exécuter des basculements successif dans un sens puis dans le sens opposé sous l'action du mouvement vertical des vagues. tout en entrainant en rotation l'arbre central toujours dans le meme sens, ce dispositif comportant en outre une génératrice accouplée à l'arbre de la turbine. Ainsi, cette turbine tourne en permanence dans le meme sens. quel que soit le mouvement des vagues qui font osciller les pales assurant l'entrainement en rotation de 1 arbre central, disposé verti également, les pales s'orientent d'elles-mêmes en basculant alternativement sous la pression du flux ou du reflux des vagues dont elles transmettent l'énergie à l'arbre de la turbine, qui à son tour entraine la génératrice productrice du courant électrique. Suivant un mode de réalisation de l'invention, chaque pale est supportée par un axe sensiblement horizontal qui la relie à un moyeu traversé par l'arbre disposé verticalement, et 1 axe aboutit dans la zone du bord d'attaque de la pale. De ce fait, la force du flux et du reflux successifs des vagues provoque des basculements d'amplitudes limitées de la pale de part et d'autre d'un plan sensiblement horizontal et corrélativement une rotation de la pale et de son axe dans un plan sensiblement horizontal. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés qui en illustrent à titre d exemple non limitatif une forme de réalisation - les Figures 1 et 2 sont des schémas illustrant le principe de la turbine du dispositif de production d'énergie électrique selon 1 invention; - la Figure 3 est une vue schématique en élévation partielle d'un mode de réalisation de la turbine selon l'invention, l'une des pales étant représentée en position haute; - la Figure 4 est une vue analogue à la Figure 3, la pale étant en position "en drapeau" sous l'action d'une vague particulièrement forte; - la Figure 5 est une vue analogue aux Figures 3 et 4 montrant la pale en position basse sous l'action d'un flux descendant;; - la Figure 6 est une vue de dessus schématique partielle de la turbine selon l'invention: - la Figure 7 est une vue en élévation d'un mode de réalisation industrielle de l'ensemble du dispositif selon l'invention immergé dans l'eau de mer. On sait que la masse d'eau qui forme une vague est dotée d'un mouvement essentiellement vertical, dirigé alternativement de bas en haut, et de haut en bas, et doublé d'un processus tourbillonnaire. L'invention met à profit ce mouvement vertical alternatif pour entrainer en rotation une turbine au moyen de pales judicieusement disposées, selon le principe illustré aux Figures 1 et 2. On voit sur celles-ci un arbre central vertical 1 de la turbine etquatre pales semblables 2, dont les bords d'attaque 2a sont disposés dans un plan sensiblement horizontal, chaque pale étant supportée par un axe horizontal 3 qui la relie à un moyeu (ré férencé 4 aux Figures 3 à 6), traversé par l'arbre vertical l. Chaque axe 3 aboutit dans la zone du bord d'attaque 2a de la pale correspondante 2-et peut etre, soit fixe en rotation par rapport à la pale associée 2 qui peut alors tourner autour de l'axe 3, soit solidaire de la pale 2 qui tourne alors solidairement avec l'axe 3 associé qui pivote sur lui-meme. Les pales 2 sont identiques entre elles et réparties à intervalles angulaires égaux autour de l'arbre central 1, en nombre quelconque (4 dans l'exemple décrit). Chaque pale 2 présente deux faces opposées dos à dos, dont les profils, déterminés dans le calcul, sont généralement semblables mais non nécessairement identiques, compte tenu des différences d'écoulement de flux qui peuvent exister entre les phases ascendante et descendante des vagues. Par ailleurs, pour améliorer le rendement, un carénage des pales 2 peut être envisagé. La turbine schématiquement illustrée aux Figures 1 et 2 est réalisée avec des matériaux aptes à resister à l'action de l'eau de mer, par exemple du cupro-nickel. Pour pouvoir capter l'énergie des vagues, la turbine est immergée à un niveau, détermine par le calcul, qui se situe légèrement au-dessous du niveau de la mer, considéré sans marée, les pales 2 se trouvant donc dans un plan horizontal, sensiblement médian entre les creux et les sommets des vagues moyennes. Lorsque la turbine ainsi positionnée subit un flux ascendant d'une vague montante, chaque pale 2 est soumise à une force F qui a une composante verticale F1 et une composante horizontale F2. La composante F1 fait tourner la pale 2 autour de l'axe 3 tandis que la composante horizontale F2 l'entraine en rotation, ainsi que l'axe 3, autour de l'arbre vertical 1. Ce dernier, dans lequel aboutissent les axes 3, est alors entrainé en rotation autour de lui-méme. Lorsque la vague retombe, après avoir fait basculer vers le haut les pales 2 d'un certain angle, le flux descendant de la vague excerce sur les faces supérieures des pales 2 des forces dirigées vers le bas, mais qui présentent également une composante horizontale telle que F2. De ce fait, tandis que les pales 2 basculent vers le bas au-delà du plan horizontal médian, elles continuent à tourner dans le même sens ainsi que les axes 3 autour de l'arbre central 1, qui est ainsi constamment entrainé en rotation dans le meme sens par les battements successifs des pales 2 de part et d'autre du plan horizontal de référence. Dans ces conditions, on comprend qu'il est possible de faire entrainer une génératrice par la turbine ainsi réalisée et de produire par conséquent du courant électrique. Les Figures 3 à 7 représentent de manière simplifiée un exemple de réalisation industrielle du dispositif générateur d'électricité selon l'invention. Ce dispositif comprend des moyens pour con trôner l'orientation angulaire des pales 2 au-delà de valeurs angulaires prédéterminées, par exemple A 30, de part et d'autre du plan horizontal P. Ces moyens font normalement fonction de butée d'arrêt des pales 2 lorsque celles-ci ont basculé desdites valeurs angulaires A, mais permettent de plus aux pales 2, en cas de mer très forte, de dépasser ces positions angulaires jusqu'à éventuellement parvenir à une position "en drapeau" 2D (Figure 4), proche de la verticale, puis de revenir progressivement à leur position normale. Dans l'exemple de réalisation illustre aux Figures 3 à 5, chaque axe 3 est solidaire en rotation avec la pale associée 2, et les moyens précités comprennent, pour chaque pale 2, un levier 5 fixé sur l'axe 3 de la pale 2 et placé près de l'arbre central 1 dans le moyeu 4 de la turbine. Chaque levier 5 est constitué de deux bras 5a, 5b décalés angulairement de part et d'autre de l'axe 3, par exemple d'un angle C=120-. Les bras 5a, 5b sont de même longueur, l'axe 3 passant par le sommet de l'angle C formé par les bras 5a, 5b.Le bras 5a orienté du côté de la pale 2 est incliné vers le bas d'un angle déterminé par rapport au plan médian Q de la pale, par exemple de l'angle A, égal à 30 dans l'exemple décrit, de façon que lorsque le bras 5a est dans le plan horizontal P, le plan Q soit incliné de l'angle A au-dessus du plan P (Figure 3). Le second bras Sb est orienté de façon à former également un angle B = A avec le plan Q de la pale 2. Dans le mode de réalisation décrit, les moyens de contrôle de l'orientation des pales 2, comprennent un ensemble de masses mobiles M1, M2, M3, M4 disposées les unes au-dessus des autres dans le moyeu 4 formant un puit, et au-dessus des leviers 5. Ces masses sont tronconiques dans l'exemple décrit, (masses M1-M3) sauf la masse supérieure M4 qui est constituée par une disque percé d'un trou pour le passage de l'arbre central 1. Elles ont des diamètres décroissants du bas vers le haut de façon à pouvoir être emboitées les unes dans les autres coaxialement à l'arbre 1, les fonds des masses M1, M2, M3 étant percées à cet effet d'un trou central. Les masses M1, M2, M3 sont pourvues à leur partie supérieure d'épaulements annulaires E1, E2, E3 susceptibles de venir en appui sur des décrochements correspondants D1 D2, D3 formés en marche d'escalier dans le moyeu 4, l'épaulement supérieur E4 formé par le bord du disque M4 venant en appui sur le décrochement supérieur D4.Les masses M1 -M4 sont positionnées de façon que l'un des bras 5a, Sb des leviers 5 soit en butée contre la masse inférieure M1 lorsque les pales 2 sont dans l'une de leurs positions angulaires limites prédéterminées, c'est-à-dire que leurs plans médians Q sont inclinés d'un angle A au-dessus du plan horizontal P (Figure 3) ou au-dessous de ce plan (Figure 5), qui correspondent respectivement aux positions limites normales à la fin du mouvement ascendant d'une vague et à la fin de son mouvement descendant. Ainsi, lorsque les pales 2 sont inclinées d'un angle A vers le bas, le bras 5a a corrélativement basculé d'un angle 2A vers le bas et le bras 5B a basculé du même angle 2A vers le haut, jusqu'à ce qu'il soit arrête par le butoir formé par le fond de la masse inférieure M1 (Figure 5). Avantageusement, les côtes supérieurs des bras 5a, 5b présentent une convexité 10 tournée vers le haut. Si une vague plus forte que les autres entraine les pales 2 au-delà de la position angulaire A délimitée par le butoir M1, les leviers 5 continuent à pivoter dans le sens horaire en observant la Figure 3, et soulèvent de ce fait les masses correspondantes M1, qui à son tour soulèvent les masses M2 etc...,dont les poids s ajoutent les uns aux autres, tandis qu'elles sont repoussées de bas en haut dans le puit 4. A chaque fois, le poids des dernières masses s'ajoute donc à ceux des précédentes. Si la vague est particulièrement forte, les pales 2 continuent à basculer vers le haut, ce qui diminue en même temps leur résistance au flux, et cela jusqu'à une position limite de mise "en drapeau" 2D (Figure 4) proche de la verticale. Dans cette position, toutes les masses M1-M4 ont été soulevées par les bras 5a.Dès que la pression du flux cesse tandis que la vague retombe, les masses redescendent par gravité dans le moyeu 4 et reprennent progressivement leurs positions initiales les unes après les autres, en commençant par la masse supérieure M4 sur les gradins correspondants D4, D3,..... Les masses contraignent ainsi les bras 5a à revenir à leur situation en butée contre les masses inférieures M1, et par suite ramènent les pales 2 à leur incidence normale A par rapport au plan horizontal P. Afin de permettre un mouvement aisé des leviers 5 dans le moyeu 4, ceua-ci sont décalés radialement les uns par rapport aux autres (Figure 6), ce qui évite leur chevauchement. Par ailleurs, La légère convexité 10 des faces supérieures des bras Sa, 5b assure un mouvement régulier des leviers 5 lorsqu'ils soulèvent les masses mobiles. La Figure 7 représente schématiquement une possibilité de mise en oeuvre industrielle de la turbine qui vient d'être décrite. Dans ce dispositif, la turbine T et la génératrice G sont logées dans un caisson flottant 11, de construction métallique et de préférence sensiblement cylindrique. Ce caisson est muni à son extrémité inférieurs d'un lest 12 de façon à lui assurer une position verticale dans l'eau, la longueur de ce caisson 11 étant considérablement plus importante que sa largeur. L'arbre 1 est muni, entre la génératrice G et les pales 2, d'un volant inertiel V qui permet de conserver et de réguler le mouvement de la turbine T. Entre le lest 12 et la génératrice G, est réservé un compartiment de flottaison 13, des conduites électriques 14 partant de la génératrice G et un système de mouillage 15 assurant l'ancrage du dispositif au fond de la mer.L'ensemble est lesté et dimensionné de façon que le plan horizontal P des pales 2 se situe sensiblement au niveau du plan médian entre les creux 16 et les sommets 17 des vagues moyennes, l'ensemble de ce support flottant n'étant pas soumis à l'action de la houle. Des moyens d'étanchéité, connus en soi, sont prévus au niveau N1 situé au-dessous des pales 2, afin d'isoler le contenu du caisson 11 de l'eau de mer. Le moyeu 4 possède également un compartiment G2 de flottaison. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant 1) La vague monte : le flux d'eau soulève l'arrière des pales 2 et les incline, à partir de leurs axes 3 d'un angle A vers le haut, par exemple 30 , par rapport au plan horizontal P. Le flux d'eau s écoule entre les pales inclinées 2, en exerçant sur celles-ci une force horizontale qui entraine les axes 3 en rotation dans le plan horizontal, autour de l'arbre central 1, qui à son tour entraine la génératrice de courant G; 2) La vague est "étale" à son sommet : le mouvement de l'eau a cessé; la turbine T, entrainee par le volant inertiel V ainsi que par son propre poids, continue à tourner avec ses pales 2 inertes; 3) La vague descend : le flux d'eau abaisse les bords de fuite des pales 2 et les incline, à partir de leurs axes 3, de l'angle A vers le bas par rapport au plan P. Le flux d'eau s'écoule entre les pales inclinées 2 en exerSant sur celles-ci une force similaire à la force précédente et qui continue à les entrainer, ainsi que leurs axes 3, en rotation autour de l'arbre 1, lui-même solidaire en rotation des axes 3, l'arbre 1 tournant ainsi toujours dans le même sens; 4) La vague est étalée à son creux : cette situation ramène à la phase n 2, même si le creux de la vague descend à un niveau inférieur à celui de la turbine. Dans ce cas, cette derière tourne dans le vide, régulée par son volant V. Ensuite le cycle décrit ci-dessus recommence. Le dispositif selon l'invention peut comporter diverses variantes d'execution. Ainsi la forme et le nombre des masses mobiles M1,... peuvent varier, ces masses pouvant d'ailleurs elles-memes etre remplacées par tout autre moyen équivalent assurant les fonctions de butoir dans les positions angulaires limites A des pales 2, et d'amortissement du mouvement des vagues très fortes. il est également évident que les angles A, B, C peuvent varier. La turbine étant destinée à fonctionner en immersion, pratiquement à fleur d'eau, ces conditions d'utilisation impliquent qu'elle soit maintenue à ce niveau, de façon constante. Dans des mers à faible marée, des supports fixes peuvent répondre à cette exigence. Dans des mers à fortes marées, des supports flottants, non soumis à l'action de la houle, sont nécessaires, par exemple des plates-formes flottantes utilisées pour le forage pétrolier. Par ailleurs, pour réguler la production d'énergie électrique, il est possible de regrouper plusieurs turbines sur une surface déterminée et d'équilibrer les débits des différentes génératrices en les asservissant aux mouvements d'un volant inertiel commun. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de production d'énergie électrique à partie de l'énergie des vagues d'eau de mer, caractérisé en ce qu'il comprend une turbine (T) pourvue de pales (2) montées autour d'un arbre central (1) et agencées de manière à pouvoir exécuter des basculements successifs dans un sens puis dans le sens opposé sous 1 action du mouvement vertical des vagues, tout en entrainant en rotation l'arbre central (1) toujours dans le meme sens, ce dispositif comportant en outre une génératrice (G) accouplée à l'arbre (1) de la turbine (T). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque pale (2) est supportée par un axe (3) sensiblement horizontal qui la relie à un moyeu (4) traverse par l'arbre (1) disposé verticalement, et l'axe (3) aboutit dans la zone du bord d'attaque (2a) de la pale (2) de telle sorte que la force du flux et du reflux successifs des vagues provoque des basculements d'amplitudes limitées de la pale (2) de part et d'autre d un plan (P) sensiblement horizontal et corrélativement une rotation de la pale (2) et de son axe (3) sensiblement horizontal. 3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour contrôler l'orientation angulaire des pales (2) au-delà des valeurs angulaires prédéterminées (A), de part et d'autre du plan horizontal (P), ces moyens faisant normalement fonction de butées d'arrêt des pales (2) lorsque celles-ci ont basculé desdites valeurs angulaires (A), mais permettant de plus aux pales (2), en cas de mer très forte, de dépasser ces positions angulaires (A) jusqu'à éventuellement une position "en drapeau" (20) proche de la verticale, puis de revenir progressivement à leur position normale. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent, pour chaque pale (2) un levier (5) fixe sur l'axe (3) de la pale (2) et placé près de l'arbre central (1) dans le moyeu (4) de la turbine, l'axe (3) étant solidaire en rotation avec la pale (2), et ce levier (S) est formé de deux bras (5a, 5b) décalés angulairement de part et d'autre de l'axe (3) de la 'pale (2) de manière à venir alternativement, pour chacune desdites valeurs angulaires prédéterminées (A), en contact de butée avec une masse (M1) logée dans le moyeu (4). 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de contrôle de l'orientation des pales (2) comprennent un ensemble de masses mobiles (M1, M2, M3, M4) disposées les unes au-dessus des autres dans le moyeu 6 - Dispositif selon la revendication S, caractérisé en ce les masses (M (M1,..M4) M4) sont sensible- ment cylindriques ou tronconiques avec des diamètres décroissants du bas vers le haut de façon à pouvoir etre emboitées les unes dans les autres coaxialement à l'arbre 7 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la turbine (T) et la génératrice (G) sont logées dans un caisson flottant (11) ancré sur le fond de la mer, lesté de manière à le stabiliser verticalement et pour positionner les axes (3) des pales (2) dans un plan sensiblement horizontal (P) à peu près médian entre les creux et les sommets des vagues, et l'arbre (1) de la turbine est de préférence équipé d'un volant inertiel (V) de régulation.