Brevet FR2574130A1 — publié le 19860606

GENERATEUR D'ENERGIE ACTIONNE PAR LES VAGUES La présente invention se rapporte à un généra- teur d'énergie actionné par les vagues et, en particulier, à un générateur de ce type sous la forme d'une bouée con- venant pour l'utilisation en eau peu profonde. On utilise actuellement un générateur d'éner- gie actionné par les vagues, comme source d'alimentation en énergie électrique de la lampe d'une balise nautique. Une telle balise comprend généralement un tube axial qui s'étend verticalement vers le bas par rapport à la surface de l'eau. Par utilisation d'un mouvement relatif entre le corps principal de la bouée, qui se déplace vers le haut et le bas selon le mouvement des vagues, et la surface de l'eau à l'intérieur du tube central, on engendre un flux d'air forcé dont l'énergie est ensuite transformée en éner- gie électrique. Dans ce cas, pour obtenir une plus grande production d'énergie, il faut que le mouvement relatif précité soit aussi grand que possible. Le mouvement de chaque élément de l'eau qui exécute le mouvement de vague ressemble à un déplacement circulaire mais son amplitude diminue rapidement lorsque la profondeur augmente par rap- port à la surface de l'eau. Ainsi, plus la longueur verti- cale du tube central du générateur d'énergie est grande, plus le mouvement relatif entre le corps principal de la bouée et la surface de l'eau à l'intérieur du tube central est grand, de sorte qu'on peut obtenir une production ac- crue d'énergie. Toutefois, si le tube central est trop long, il en résulte d'autres inconvénients, tels que l'im- possibilité d'utilisation en eau peu profonde et la diffi- culté de manutention et d'exécution des opérations d'en- tretien. La présente invention a donc pour objet prin- cipal d'éviter les inconvénients ci-dessus de l'art anté- rieur et de procurer un générateur d'énergie perfectionné, actionné par les vagues. L'invention a également pour objet un généra- teur d'énergie perfectionné, actionné par les vagues, du type à flotteur, qui peut être utilisé dans des eaux peu profondes tout en produisant une quantité suffisante d'é- nergie électrique. L'invention a encore pour objet un générateur d'énergie perfectionné, actionné par les vagues, de hautes performances et cependant compact et facile à fabriquer. L'invention vise également un générateur d'é- nergie perfectionné, actionné par les vagues, qui est fa- cile à manipuler. Conformément à la présente invention, on ob- tient un générateur d'énergie actionné par les vagues, qui flotte à la surface de l'eau en utilisation, de façon à transformer l'énergie des vagues en énergie électrique. Le présent générateur actionné par les vagues comprend un corps principal qui peut flotter à la surface de l'eau, une chambre d'air définie à l'intérieur du corps principal, un générateur électrique mû par un flux d'air circulant entre la chambre d'air et l'atmosphère extérieure de maniè- re à engendrer une énergie électrique, un passage de tra- vail défini dans le corps principal en communication avec la chambre d'air et présentant à sa partie inférieure une extrémité ouverte de façon à être rempli au moins partiel- lement d'eau lorsque le corps flotte à la surface de l'eau, et une plaque de guidage montée de façon fixe sur le corps principal en face et à une distance prédéterminée de l'ex- trémité ouverte du passage de travail, de façon à définir une ouverture circulaire sensiblement latérale à travers laquelle l'eau est guidée vers le passage de travail et hors de celui-ci. D'autres objets,avantages et caractéristiques nouvelles de la présente invention apparaîtront à la lec- ture de la description détaillée ci-après de ses modes de réalisation, non limitatifs, représentés sur les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une coupe schématique d'une bouée à générateur d'énergie actionné par les vagues, construite conformément à un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est une coupe schématique suivant la ligne II-II de la figure 1; la figure 3 illustre schématiquement une bouée à générateur d'énergie actionné par les vagues, du type flottant, suivant l'art antérieur; et la figure 4 est une coupe schématique d'une bouée à générateur d'énergie actionné par les vagues, sui- vant un autre mode de réalisation de l'invention. On se reporte maintenant à la figure 1 qui représente schématiquement un appareil I à générateur d'é- nergie actionné par les vagues, sous la forme d'une bouée construite conformément à un premier mode de réalisation de l'invention. Comme représenté, la bouée I à génération d'énergie comprend un corps principal 1 qui peut flotter à la surface de l'eau. Dans le dispositif illustré, le corps principal 1 comprend essentiellement un élément de flotteur la, de forme cylindrique ou annulaire, et un élé- ment de queue lb qui est sensiblement en forme de cône an- nulaire et qui est placé à l'extrémité inférieure de l'é- lément de flotteur la. Il faut noter que l'élément de queue lb peut également être construit sous la forme d'un flotteur analogue à l'élément de flotteur la. Le corps principal 1 flotte à la surface de l'eau, son élément de queue lb étant placé à la partie inférieure et donc sub- mergé dans l'eau, comme représenté. Par exemple, l'élé- ment de flotteur la peut être fabriqué à partir d'une plaque de tôle de 2, 3 mm d'épaisseur, de façon à avoir un diamètre D1 de 1,2 m environ et une longueur L1 de 0,9 m environ, et l'élément de queue lb peut être fabriqué à partir d'une plaque de tôle de 3,2 mm d'épaisseur, de façon à avoir une longueur L2 de 0,6 m environ, bien que la présente invention ne soit pas limitée à ces seules dimensions. L'élément de queue lb peut être formé séparé- ment et rendu solidaire de l'élément de flotteur la, par exemple par soudure. Le corps principal 1 comporte également un tube central lc qui traverse verticalement directement le corps principal 1 et qui définit un passage de travail dans lequel l'eau peut se déplacer vers le haut et le bas du fait du mouvement des vagues. Le tube central 1l est solidaire de l'élément de flotteur la et de l'élément de queue lb et il peut avoir comme dimensions un diamètre D2 de 0,58 m environ et une longueur de 1,5 m environ. Dans le mode dé réalisation représenté, un dispositif 2 de stockage d'énergie électrique, par exemple un accumula- teur, est monté de façon fixe à l'intérieur de l'élément de flotteur creux la, de sorte que l'énergie électrique engendrée peut être stockée dans cet accumulateur 2. Le corps principal 1 comporte également un tampon de visite id qui peut être ouvert et fermé de façon étanche, comme il apparaîtra aux hommes de l'art, de manière à permettre l'accès à l'accumulateur 2, pour entretien et réparation. Le tube central lc présente une extrémité su- périeure ouverte le qui est généralement située au-dessus de la surface de l'eau lorsque la bouée I flotte à la sur- face de l'eau, et une chambre à clapet 3 est prévue sur ou au-dessus de l'extrémité supérieure ouverte du tube central lc. La chambre 3 est principalement définie par un élément cylindrique et elle comporte un obturateur uni- directionnel 3a qui peut pivoter vers l'intérieur,de ma- nière à laisser entrer l'air de l'atmosphère dans la cham- bre 3,mais qui se ferme pour empêcher la sortie de l'air de la chambre 3 vers l'atmosphère extérieure. La chambre à clapet 3 communique avec le tube central lc par l'ex- trémité supérieure ouverte de celui-ci, de sorte qu'une chambre d'air A est définie par le volume de l'air empri- sonné dans le tube central lc par la surface de l'eau dans ce tube, et par le volume de l'air à l'intérieur de la chambre à clapet 3. On voit donc que le volume de l'air à l'intérieur de la chambre d'air A augmente, du fait de l'introduction d'air dans la chambre A par le clapet 3a, lorsque la surface de l'eau W2 descend dans le tube cen- tral lc. Par contre, le volume de l'air à l'intérieur de la chambre A diminue lorsque la surface de l'eau W2 monte dans le tube central lc de manière à chasser l'air à tra- vers un orifice supérieur 4a de la chambre à clapet 3. Un phare conique 4 est fixé au-dessus de la chambre à clapet 3 et le phare 4 communique avec la cham- bre d'air A par l'intermédiaire de la chambre à clapet 3. Une turbine à air 5, placée au voisinage et légèrement au- dessus de l'orifice supérieur 4a de la chambre à clapet 3, est entraînée par le flux d'air sortant de l'orifice supérieur 4a de la chambre à clapet 3, de manière à tour- ner dans un sens prédéterminé. Un générateur 6 d'énergie électrique, placé au-dessus de la turbine à air 5 et ac- couplé fonctionnellement à celle-ci, est entraîné par la turbine 5 de manière à produire de l'électricité. Une lampe 7, montée à la partie supérieure du phare 4,émet une lumière qui fournit une indication de repère nautique. Le phare 4 est conique et son extrémité inférieure est prolongée vers le bas de manière à couvrir l'extrémité supérieure de la chambre à clapet 3, à une certaine dis- tance de celle-ci, de sorte qu'une ouverture d'évacuation annulaire 4b est définie entre la partie d'extrémité supé- rieure de la chambre à clapet 3 et la partie d'extrémité inférieure du phare 4. Ainsi, l'air sortant de la turbine peut être évacué à l'atmosphère, à travers cette ouver- ture d'évacuation 4b. Avec cette structure, lorsque la surface de l'eau W2 à l'intérieur de la chambre A se déplace vers le haut par rapport au tube central lc, l'air contenu dans la chambre A se comprime et le clapet 3a est déplacé dans sa position fermée, de sorte qu'il se crée un flux d'air forcé à travers l'ouverture supérieure 4a,vers l'espace intérieur défini par le phare 4. Par suite, la turbine à air 5 est entraînée en rotation par ce flux d'air forcé et elle entraîne donc le générateur 6 pour produire de l'électricité. L'électricité ainsi engendrée est d'abord stockée dans l'accumulateur 2 qui fournit ensuite l'éner- gie électrique à la lampe 7, pour l'éclairage. Par contre, lorsque la surface de l'eau W2 à l'intérieur du tube cen- tral lc se déplace vers le bas par rapport à ce tube, l'air pénètre dans la chambre A, en provenance de l'atmos- phère extérieure, à travers le clapet 3a qui prend alors sa position ouverte. De cette manière, puisque le clapet 3a s'ouvre dès que la surface de l'eau W2 commence à des- cendre le long du tube central lc, il ne se crée aucun flux d'air inverse à travers l'ouverture d'évacuation 4b et, par conséquent, la turbine à air 5 tourne toujours dans un sens prédéterminé. Le tube central lc présente une extrémité inférieure ouverte If qui débouche dans l'eau lorsque la bouée 1 flotte à la surface de l'eau, de sorte que l'eau peut entrer et sortir du tube central lc,du fait du mou- vement de vague de l'eau,à travers son extrémité infé- rieure ouverte lf. Conformément à la présente invention, il est prévu une plaque inférieure 8 de guidage,de forme sensiblement circulaire dans le mode de réalisation il- lustré, qui est fixée sur l'extrémité inférieure du corps principal 1, à une distance prédéterminée de l'ex- trémité inférieure du corps principal 1. Dans le présent dispositif, la plaque de guidage 8 a un diamètre plus grand que celui de l'extrémité inférieure ouverte if du tube central lc et elle est située sensiblement en face de cette extrémité lf. De préférence, la plaque de guidage 8 présente une configuration plane avec une partie péri- phérique 8a un peu repliée vers le haut et elle est fi- xée à l'extrémité inférieure de l'élément de queue lb par une pluralité d'entretoises 9. Dans ce cas, de préférence, comme représenté sur la figure 2, les entretoises 9 (au nombre de six dans le mode de réalisation illustré) sont disposées à intervalles égaux dans la direction circon- férentielle et elles s'étendent entre la partie périphé- rique repliée vers le haut 8a de la plaque de guidage 8 et la surface latérale inférieure de l'élément de queue lb. On définit ainsi une ouverture circulaire sensiblement latérale entre la plaque de guidage 8 et l'extrémité in- férieure du corps principal 1, par laquelle l'eau peut entrer et sortir du passage de travail défini par l'espace intérieur du tube central lc. Avec cette structure, le mouvement latéral d'une masse d'eau en mouvement de vague peut être guidé avantageusement vers le tube central lc et le mouvement de l'eau qui entre et sort du tube central lc peut être sensiblement régularisé. Comme représenté également sur la figure 1, un lest 10 est fixé à la surface inférieure 8b de la plaque de guidage 8. Ce lest contribue à mainte- nir la posture verticale de la bouée I, même si elle est soumise à un fort mouvement de vague. Une oreille est également fixée à la surface latérale du corps principal 1. Une extrémité d'une chaîne 11 est attachée à l'oreille 12, l'autre extrémité de la chatne 11 étant reliée par exemple, bien que cela ne soit pas représenté spécifique- ment, à une ancre de sorte qu'on peut amarrer la bouée I à un endroit désiré. Comme décrit plus haut, conformément à la présente invention, puisque la plaque de guidage 8 est prévue en face et à une certaine distance de l'extrémité inférieure ouverte If du tube central lc, même si ce der- nier est relativement plus court, on obtient une amplitude relativement grande du mouvement relatif entre le tube central 1c et la colonne d'eau qui se trouve à l'intérieur de ce tube, ce qui permet d'utiliser la présente bouée à générateurd'énergie même en eau peu profonde sans détério- ration des caractéristiques de production d'énergie. On décrit maintenant en détail le principe de ce mécanisme de production d'énergie, pour faciliter la compréhension des avantages de la présente invention. On décrit d'abord le principe du générateur d'énergie usuel actionné par les vagues. La figure 3 illus- tre une bouée I' à générateur de puissance actionné par les vagues, suivant l'art antérieur. Avec référence à la figure 3, on considère la situation dans laquelle la bouée I' flotte à la surface W1 de l'eau qui est en mouvement de vague à la fréquence de (1/2) Hsinwt. Dans ce cas, la bouée I' monte et descend avec un léger retard mais le mouvement vertical de la bouée I' peut également être re- présenté approximativement par (1/2)Hsinwt. Avec ce mouve- ment vertical alternatif de la bouée I', la colonne d'eau à l'intérieur du tube central lc' tend à effectuer un mou- vement relatif de -(1/2) Hsinwt. Ainsi, en fonction de l'amplitude H' du mouvement de la colonne d'eau à l'orifice inférieur lf' du tube central lc', on obtient un mouvement relatif qui est défini par -(1/2) (H-H')sinwt. Par consé- quent, lorsque l'orifice inférieur lf' est situé à un ni- veau profond o H' est voisin de zéro, le mouvement rela- tif peut être représenté approximativement par (1/2)Hsinwt; par contre, dans le cas d'eaux peu profondes o l'orifice inférieur lf' est situé plus près de la surface W1 de l'eau, la valeur de H' se rapproche de celle de H, de sorte que le mouvement relatif de la colonne d'eau par rapport au tube central lc' disparaît pratiquement, ce qui n'engendre presque pas de flux d'air forcé utilisable pour la production d'électricité. On examine maintenant la période du mouvement relatif entre la colonne d'eau et le tube central lc', dé- crit ci-dessus. Si on désigne la période d'oscillation de la colonne d'eau à l'intérieur du tube central lc' par Tw, la longueur du tube central lc' par 1 et l'accéléra- tion de la pesanteur par g, on a alors la relation ci- après: T = 2X lg w La production d'énergie due à l'action des vagues, effec- tivement produite par la bouée I', repose sur le fait que les vagues ont une période d'oscillation comprise entre la période Tw de la colonne d'eau et la période Ta qui est une période d'oscillation du mouvement vertical de la bouée I'. Afin de pouvoir réaliser la génération d'é- nergie sous l'action des vagues, en pratique, il est im- portant que la génération d'énergie puisse être effectuée par des vagues d'une plus large plage de période,qui peut varier, par exemple, du fait des conditions atmosphéri- ques ou autres. A ce propos, il est souhaitable que la période Tw d'oscillation de la colonne d'eau soit aussi grande que possible; toutefois, comme déja indiqué, on ne peut pas utiliser la bouée I' dans des eaux peu profon- des,si son tube central lc' est prévu trop long afin d'ob- tenir une plus grande période Tw. Dans ces conditions,conformément à la pré- sente invention, la plaque de guidage inférieure 8 est prévue submergée et en face de l'extrémité inférieure ouverte if du tube central lc. Avec une telle structure, même si la bouée I est amarrée en eau peu profonde, le mouvement de l'eau à la faible profondeur proche de l'ex- trémité inférieure ouverte If du tube central lc est em- pêché d'agir directement à l'extrémité inférieure ouverte If du tube central lc et l'eau qui se déplace latéralement à la faible profondeur peut être avantageusement guidée vers le tube central lc, à travers le passage de guidage 1 0 défini entre la plaque de guidage inférieure 8 et l'extré- mité inférieure du tube central lc. Cela équivaut en ef- fet à la situation dans laquelle l'extrémité inférieure ou- verte If est située à un niveau profond o l'amplitude H' des vagues est sensiblement nulle. Par suite, le mouvement de la colonne d'eau à l'intérieur du tube central lc peut être représenté approximativement par -(1/2)Hsinwt, ce qui indique la possibilité d'obtenir un débit d'air accru. En ce qui concerne également la période Tw d'oscillation de la colonne d'eau, la présence de la plaque inférieure de guidage 8 a un effet équivalent à l'allongement du tube central 1c, de sorte que la période Tw augmente et qu'on peut obtenir un débit d'air de façon stable. Si la lon- gueur 1 du tube central 1c est de l'ordre de 1,5 m comme indiqué plus haut, la période d'oscillation.est de 1,6 s environ; toutefois, avec la présence de la plaque infé- rieure de guidage 8 suivant la présente invention, on a trouvé que la période d'oscillation Tw pouvait être aug- mentée à 2,25 s environ, ce qui est de l'ordre de 1,4 fois la valeur obtenue sans la plaque inférieure de gui- dage 8. Comme indiqué plus haut, la bouée I à générateur d'énergie actionné par les vagues suivant la présente in- vention peut produire une énergie électrique désirée, de façon stable, même si on l'utilise dans des eaux peu pro- fondes. On décrit maintenant un autre mode de réalisa- tion de la présente invention,avec référence à la figure 4. Il faut noter que, dans la description et les dessins, on utilise les mêmes repères pour désigner les éléments sem- blables et on évite autant que possible la répétition de la description des mêmes éléments. La figure 4 illustre schématiquement une bouée II à générateur d'énergie action- né par les vagues, construite conformément à un autre mode de réalisation de la présente invention. Cette bouée com- prend un corps principal 21 de forme sensiblement sphéri- 1 1 que et dont l'intérieur est essentiellement divisé en une zone annulaire supérieure 21a et une zone inférieure annu- laire 21b, le tube central lc traversant verticalement le corps principal sphérique 21. Dans le mode de réalisation illustré, la zone annulaire supérieure 21a est définie comme un élément de flotteur, bien que la zone annulaire inférieure 21b puisse également être un élément à flotteur, si on le désire. Le corps principal 21 est de préférence en matière plastique renforcée, par exemple par des fibres de verre, qui peut être formée facilement et qui possède une bonne résistance mécanique et aux intempéries et qui permet de fabriquer l'ensemble de-la structure avec un faible poids et une petite dimension, sans oublier le bas prix de fabrication. Dans ce cas, on peut craindre que la stabilité soit moins bonne, du fait de la structure lé- gère,ce qui pourrait impliquer des oscillations autres que le mouvement vers le haut et le bas. Toutefois, puisque le corps principal 21 de la présente bouée II est de forme sphérique, on peut avantageusement éviter le mouvement de basculement de la vague et obtenir que seule la composante verticale du mouvement de vague soit avantageusement ap- pliquée à la bouée 21, de sorte que le corps principal 21 peut conserver son orientation flottante stable. Comme dans le mode précédent de réalisation, la présente bouée II comporte également la plaque infé- rieure de guidage 8, prévue en face et à une certaine dis- tance verticale de l'extrémité inférieure ouverte du tube central lc du corps principal 21. Par conséquent, le mou- vement de vague est empêché d'agir directement à l'extré- mité inférieure ouverte If du tube central lc et,même,le mouvement latéral de la zone peu profonde de l'eau en mouvement de vague peut être avantageusement guidé vers et hors du tube central lc, à travers l'ouverture circu- laire latéralement ouverte définie entre la plaque infé- rieure de guidage 8 et la partie inférieure du corps prin- cipal sphérique 21. Il faut également noter que même si le corps principal 21 est sphérique, puisque la plaque infé- rieure de guidage 8 sensiblement plane est prévue solidai- rement au-dessous du corps principal 21, celui-ci peut être posé de façon stable sur le sol, pour stockage, répa- ration ou entretien. Dans les modes de réalisation décrits ci- dessus, on a utilisé le seul clapet 3a pour engendrer un flux d'air forcé unidirectionnel d'entraînement de la tur- bine à air 5 dans un sens prédéterminé, afin d'entrainer le générateur 6. Toutefois, il est entendu que la présente invention n'est pas limitée seulement à ce type de géné- rateur. Par exemple, on peut utiliser tout nombre désiré de clapets et on peut également utiliser une turbine du type à impulsion qui est entraînée par un flux d'air uni- directionnel engendré par cette pluralité de clapets. En outre, on peut également utiliser des turbines du type sans clapet qui sont mises en rotation dans un sens pré- déterminé par le flux d'air circulant alternativement dans deux directions opposées,par exemple des turbines Wells et Savonius. Il faut également noter que l'accumula- teur 2 peut être supprimé, si on le désire. Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. Revendications 1. Dispositif générateur d'énergie, actionné par les vagues, qui comprend: un corps principal (1) qui peut flotter à la surface de l'eau, ce corps princi- pal comportant un passage intérieur de travail qui pré- sente une extrémité inférieure ouverte (1f), qui débouche dans l'eau lorsque le corps principal flotte à la surface de l'eau, et une extrémité supérieure ouverte (le) située au-dessus de la surface de l'eau; au moins une turbine à air (5) montée de façon tournante sur le corps principal de manière à être entraînée en rotation par un flux d'air forcé qui circule à travers l'extrémité supérieure ouverte du passage de travail; au moins un générateur (6) monté sur le corps principal et accouplé en fonctionnement à la dite au moins une turbine à air de façon à être entrainé par cette dernière pour engendrer de l'électricité; ca- ractérisé en ce qu'il comporte des moyens de guidage (8) fixés à la partie inférieure du corps principal, en face et à une certaine distance de l'extrémité inférieure ouver- te (1f) du passage de travail. 2. Dispositif suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les moyens de guidage comprennent une plaque de guidage (8), dont la dimension est supérieure à celle de la section transversale du passage de guidage, et une pluralité d'entretoises (9) qui s'étendent entre la partie inférieure du corps principal et la plaque de gui- dage. 3. Dispositif suivant la revendication 2, ca- ractérisé en ce que le corps principal comprend un tube central (lc) de section transversale circulaire et qui s'étend verticalement à travers le corps principal, la plaque de guidage (8) ayant une forme circulaire et un diamètre supérieur à celui du tube central. 4. Dispositif suivant la revendication 3, ca- ractérisé en ce que les entretoises sont disposées circon- férentiellement à intervalles angulaires égaux. 5. Dispositif suivant la revendication 2, ca- ractérisé en ce que le corps principal (1) est divisé en compartiments supérieur (la) et inférieur (1b) et au moins ledit compartiment supérieur est défini comme un élément à flotteur. 6. Dispositif suivant la revendication 2, ca- ractérisé en ce qu'il comprend un lest (10) qui est fixé à la surface inférieure de la plaque de guidage (8). 7. Dispositif suivant la revendication 2, ca- ractérisé en ce que la plaque de guidage comporte une partie périphérique (8a) qui est repliée vers le haut, vers le corps principal. 8. Dispositif suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le corps principal a une forme géné- rale sensiblement cylindrique. 9. Dispositif suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le corps principal a une forme géné- rale sensiblement sphérique. 10.Dispositif suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'amarrage (11) dont une extrémité est fixée au corps principal.