Brevet FR2818326A1 — publié le 20020621

Système éolien de brassage d'eau. L'invention concerne un système éolien de brassage d'eau destinée à la déstratification des eaux d'un plan d'eau. La qualité des eaux d'un plan d'eau, tel qu'un étang, un bassin ou un lac, dépend fortement de son oxygénation. Un des problèmes majeurs de la qualité des plans d'eau est l'eutrophisation phytoplanctonique qui est un développement excessif d'algues microscopiques. Les plans d'eau s'enrichissent de substances nutritives, telles que du phosphore ou de l'azote, apportées notamment par les engrais et les lessives. Cet apport permet aux organismes vivants (bactéries, champignons, algues) de se multiplier. Ces organismes vivants apportent au milieu aquatique de la matière organique et de la matière inorganique. Cependant, ces organismes consomment pour se développer également de l'oxygène. L'oxygène présent dans l'atmosphère se dissout dans l'eau à la surface du plan d'eau. Or, en période estivale, l'eau de surface est réchauffée par le soleil et l'air ambiant. Comme l'eau chaude est plus légère que l'eau froide, l'eau de surface reste en surface et ne se mélange pas avec l'eau plus profonde et plus froide. Il en résulte une stratification de l'eau du plan d'eau, avec peu d'échange entre les différents niveaux. Même en cas de vents forts en surface, seule la couche chaude de surface est brassée. Ainsi, peu d'oxygène est apporté en profondeur. Comme les organismes reçoivent un apport nutritif important, ils consomment la totalité de l'oxygène présent dans les couches profondes sans que de nouveaux apports viennent rétablir l'équilibre. Ces eaux se caractérisent par un manque d'oxygène, une mortalité anormale de la faune aquatique, la présence de coliformes fécaux, d'E-coli, de streptocoques fécaux. De plus certaines algues, les cyanobactéries, peuvent créer des nuisances graves : concentration en surface sous forme de fleurs d'eau et production de toxines. La prolifération des plantes aquatiques génère une quantité importante de matière organique qui se dépose au fond de l'eau. Cette matière organique se décompose de manière anaérobique, du fait du manque d'oxygène. Cette décomposition génère des gaz tels que de l'ammoniaque, du méthane et de l'hydrogène sulfuré, ce qui provoque des nuisances par de mauvaises odeurs. On connaît par le document CA-1311315 un brasseur d'eau à énergie éolienne qui comporte une plate-forme flottante, un mât fixé au centre de la plate-forme, une turbine éolienne à axe vertical montée rotative au sommet du mât, une turbine hydraulique monté rotative dans l'eau sous la plate-forme et un arbre de transmission reliant directement les turbines. Ce brasseur étant installé sur un plan d'eau, le vent entraîne la turbine éolienne qui entraîne la turbine hydraulique par l'arbre de transmission. La turbine hydraulique met l'eau en mouvement, en particulier elle crée un mouvement vertical de l'eau. De cette manière, le brasseur permet de mélanger l'eau de surface avec l'eau profonde. La stratification des eaux est donc évitée et ainsi, de l'oxygène échangé avec l'eau en surface est apporté à l'eau profonde. La qualité de l'eau est sérieusement améliorée. De plus, les bactéries de l'eau profonde, en revenant à la surface du plan d'eau, sont tuées par les rayonnements ultraviolets du soleil et de la lune. Cependant, la turbine éolienne génère en fonctionnement des forces de traînée, d'une part dans le sens du vent, et d'autre part des forces latérales perpendiculaires au vent et à l'axe de rotation de la turbine éolienne, dues à la déviation du vent au passage dans la turbine. Ces forces sont gênantes pour la stabilité de la plate-forme flottante. L'objectif de l'invention est de fournir un système éolien de brassage de l'eau d'un plan d'eau dont le fonctionnement ne génère pas de force latérale. Avec cet objectif en vue, l'invention a pour objet un système éolien de brassage d'eau d'un plan d'eau, le système comportant un mât fixe ayant un axe de mât sensiblement vertical, une première turbine éolienne montée rotative sur le mât autour de l'axe du mât, une première turbine hydraulique montée rotative dans l'eau, un premier arbre de transmission reliant directement en rotation la première turbine éolienne à la première turbine hydraulique, caractérisé en ce que le système comporte en outre une deuxième turbine éolienne montée rotative autour de l'axe du mât, une deuxième turbine hydraulique montée rotative dans l'eau, un deuxième arbre de transmission reliant directement en rotation la deuxième turbine éolienne à la deuxième turbine hydraulique, le deuxième arbre de transmission étant monté rotatif dans le premier arbre de transmission, les turbines éoliennes étant contrarotatives. Grâce à l'invention, le système atteint l'objectif que l'on s'était fixé. Le système de l'invention, placé sur un plan d'eau, par exemple sur une plate-forme flottante est exposé au vent qui souffle à la surface du plan d'eau. Le vent soufflant dans les turbines éoliennes entraîne celles-ci en rotation autour de l'axe de mât dans des sens opposés. De ce fait, les turbines éoliennes créent des forces latérales dans des sens opposés de telle sorte que lesdites forces latérales se compensent, voire s'annulent. Ainsi, le mât reste équilibré. Les arbres de transmission entraînent les turbines hydrauliques qui créent le mouvement de brassage de l'eau pour mélanger l'eau de surface avec l'eau profonde. De préférence, chaque turbine éolienne comportent une pluralité de pales régulièrement réparties dans un plan de rotation perpendiculaire à l'axe de rotation de la turbine éolienne, chaque pale comportant un demicylindre dont deux génératrices diamétralement opposées délimitant la pale sont situées dans un plan axial de la turbine de telle sorte que lorsqu'une pale présente sa face concave au vent, elle subit une action du vent plus forte que lorsqu'elle présente sa face convexe au vent, cette action différentielle entraînant la rotation de la turbine. En effet, lorsque le vent souffle du côté concave (creux) de la pale, le coefficient de traînée est plus fort que lorsque le vent souffle du côté convexe de la pale. La section du demi-cylindre n'est pas nécessairement demi-circulaire. Elle peut être par exemple demi-elliptique, avec soit le petit axe, soit le grand axe dans le plan axial. Ce type de turbine a l'avantage d'être sensible à n'importe quelle direction de vent. Ainsi, si le vent est changeant, la turbine demeure toujours efficace. Il n'est pas nécessaire d'orienter la turbine comme c'est le cas avec les éoliennes à axe horizontal. De plus, le démarrage de la turbine est obtenu à faible vitesse de vent, inférieure à 1 m/s. Un autre avantage est que la vitesse de rotation de la turbine est autolimitée. En effet, au-delà d'une vitesse proportionnelle à la vitesse du vent, la turbine ne fournit aucun couple car la pale qui présente la face concave a une vitesse relative au vent qui diminue tandis que la pale qui présente sa face convexe remonte le vent et a une vitesse relative au vent plus importante. Comme les forces exercées sur les pales sont proportionnelles au carré de la vitesse relative, l'action différentielle s'amenuise jusqu'à disparaître quand la vitesse de rotation de la turbine augmente. Les sens de rotation opposés sont obtenus en disposant les pales d'un côté ou de l'autre du plan axial. Selon un premier mode de réalisation, les turbines hydrauliques créent un flux d'eau vertical ascendant. Le flux d'eau ainsi créé aspire l'eau en profondeur et se transforme en flux horizontal en arrivant à la surface du plan d'eau. De la sorte, l'eau froide et mal oxygénée remonte à la surface pour reprendre de l'oxygène en contact avec l'air et se mélanger avec l'eau plus chaude de la surface. Le courant horizontal créé en surface par le flux permet d'atteindre des zones relativement éloignées du système de brassage, jusqu'à deux cents mètres. La contrarotation des turbines est également bénéfique à l'efficacité du système de brassage. En effet, la première turbine hydraulique crée inévitablement un mouvement parasite de rotation de l'eau autour de l'axe de rotation. La deuxième turbine hydraulique, tournant dans l'autre sens, permet de redresser ce mouvement de rotation pour que le flux soit essentiellement vertical. L'efficacité du système de brassage en est améliorée. Selon un deuxième mode de réalisation, les turbines hydrauliques créent un flux d'eau vertical descendant. Ainsi, l'eau de surface, plus chaude que l'eau profonde est envoyée vers le fond du plan d'eau et se mélange à l'eau plus froide. La stratification de l'eau du plan d'eau est ainsi évitée. De plus, l'eau de surface a un taux d'oxygène dissout plus élevé que l'eau profonde. Cet oxygène est ainsi amené en profondeur. La contrarotation des turbines présente ici également le même avantage que précédemment. De manière préférentielle, chaque turbine hydraulique comporte une pluralité de pales régulièrement réparties dans un plan de rotation perpendiculaire à l'axe de rotation de la turbine hydraulique, chaque pale comportant un demi-cylindre et deux génératrices du demi- cylindre diamétralement opposées délimitant la pale, l'axe du demi-cylindre étant radial à l'axe de rotation, le côté concave de la pale étant orienté dans le sens de rotation de la turbine, un plan contenant les génératrices étant incliné d'un angle prédéterminé par rapport à un plan axial de la turbine. Grâce à l'inclinaison du plan des génératrices, et donc des pales, la rotation des turbines crée un flux vertical de l'eau. L'angle prédéterminé est choisi pour que l'action de chaque turbine soit dans le même sens. Par exemple, la face concave de la pale est orientée sensiblement vers le haut pour que le flux d'eau soit orienté vers le haut. Au contraire, si la face concave est orientée vers le bas, le flux d'eau est orienté vers le bas. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 est une vue de face d'un système de brassage conforme à l'invention ; la figure 2 est une vue de dessus d'une plate-forme flottante ; la figure 3 est une vue de dessus des turbines éoliennes ; la figure 4 est une vue en coupe du montage des turbines éoliennes ; la figure 5 est une vue en coupe de la partie immergée du système de brassage. Le système de brassage 1 est destiné à être installé sur un plan d'eau 2, comme montré sur la figure 1. Il comporte une plate-forme flottante 3, un mât 4 fixé sur la plate-forme flottante et ayant un axe sensiblement vertical, une première turbine éolienne 5 montée rotative sur le mât 4, une deuxième turbine éolienne 6, montée rotative sur le mât 4 au-dessus de la première turbine éolienne 6, une première turbine hydraulique 7, située dans le plan d'eau sous la plate-forme flottante 3 et montée rotative autour de l'axe du mât, une deuxième turbine hydraulique montée rotative autour de l'axe du mât sous la première turbine. Le système de brassage 1 comporte en outre un premier arbre de transmission 9, monté rotatif dans le mât 4 et qui relie directement la première turbine éolienne 5 à la première turbine hydraulique 7, et un deuxième arbre de transmission 10, monté rotatif dans le premier arbre de transmission 9 et qui relie directement la deuxième turbine éolienne 6 à la deuxième turbine hydraulique 8. La plate-forme flottante, montrée également sur la figure 2, comporte des bras de liaison 30, par exemple six, fixés en étoile sur le mât et des flotteurs 31 fixés à l'extrémité des bras de liaison 30. Ces extrémités des bras de liaison sont également reliées par des écarteurs 33. Des flotteurs supplémentaires 32, par exemple cylindriques, sont supportés par les écarteurs 33. Les flotteurs pourraient également être sphériques. Comme montré sur la figure 3, chaque turbine éolienne 5,6 comporte un moyeu sur lequel sont fixées quatre pales 52,62. Le moyeu comporte deux flasques 50, 51,60, 61 parallèles et fixés sur l'un des arbres de transmission 9,10. Chaque pale comporte un cadre de support 53,63, par exemple en tube, fixé sensiblement dans un plan axial de l'arbre de transmission sur chacun des deux flasques. La première turbine 5 est prévue pour tourner dans le sens de la flèche F5, par exemple dans le sens horaire sur la figure 3. Un demi-cylindre est fixé sur le cadre 53 le long des deux génératrices qui délimitent le demicylindre, la face concave étant orientée dans le sens opposé à la flèche F5. Le bout de la pale 52 vers le diamètre extérieur de la turbine est arrêté sensiblement en biseau. La deuxième turbine 6 est prévue pour tourner dans le sens de la flèche F6, par exemple dans le sens trigonométrique sur la figure 3. Un demi-cylindre est fixé sur le cadre 63 le long des deux génératrices qui délimitent le demi-cylindre, la face concave étant orientée dans le sens opposé à la flèche F6. Le bout de la pale 62 vers le diamètre extérieur de la turbine est arrêté sensiblement en biseau. En se référant à la figure 4, l'extrémité supérieure du mât 4 comporte un palier 40 dans lequel est monté un roulement 41, par exemple à billes. Le premier arbre de transmission 9 est monté rotatif dans le mât par l'intermédiaire du roulement 41. Les flasques 50,51 de la première turbine sont fixés sur l'arbre de transmission 9, par exemple par soudure, le flasque 50 inférieur étant en butée contre le roulement 41. L'extrémité du premier arbre de transmission 9 comporte également un palier 90 qui supporte un roulement 91. Le deuxième arbre de transmission 10 est monté rotatif dans le premier arbre de transmission 9 par l'intermédiaire du roulement 91. Les flasques 60,61 de la deuxième turbine 6 sont fixés sur l'arbre de transmission 10, par exemple par soudure, le flasque 60 inférieur étant en butée contre le roulement 91. D'autres montages de guidage sont envisageables, sans modifier la nature de l'invention. Le premier arbre de transmission 9 est guidé également à l'extrémité inférieure du mât 4, par exemple par un roulement non montré, en dehors de l'eau. Le premier arbre de transmission 9 se prolonge dans l'eau, par exemple sur une profondeur immergée de 500 mm à 1 m. Comme le montre la figure 5, son extrémité est filetée pour recevoir un moyeu 70 de la première turbine hydraulique 7. Un contre-écrou 71 vissé également sur le premier arbre de transmission 9 bloque le moyeu 70 en rotation sur l'arbre 9. Le deuxième arbre de transmission 10 est guidé également à l'extrémité inférieure du premier arbre de transmission 9, par exemple par un roulement 92. Le deuxième arbre de transmission 10 se prolonge, par exemple sur une distance de 500 mm à 1 m au-delà de l'extrémité du premier arbre de transmission 9. Son extrémité est filetée pour recevoir un moyeu 80 de la deuxième turbine hydraulique 8. Un contre-écrou 81 vissé également sur le deuxième arbre de transmission 10 bloque le moyeu 80 en rotation sur l'arbre 10. Chaque turbine hydraulique 7,8 comporte un moyeu 70,80 sur lequel sont fixées quatre pales 72,82. Chaque pale comporte un cadre de support 73,83, par exemple en tube, fixé sur chacun des deux moyeux 70,80 dans un plan P incliné d'un angle a par rapport à l'axe des arbres de transmission autour d'un axe radial. La première turbine hydraulique 7 est entraînée en rotation par la première turbine éolienne 5. Un demi-tube cylindrique est fixé sur le cadre 73 le long des deux génératrices qui délimitent le demi-tube, la face concave étant orientée dans le sens de la rotation. Le bout de la pale 72 vers le diamètre extérieur de la turbine est arrêté sensiblement en biseau. La deuxième turbine hydraulique 8 est entraînée en rotation dans le même sens que la deuxième turbine éolienne 6. Un demi-tube cylindrique est fixé sur le cadre 83 le long des deux génératrices qui délimitent le demi-tube, la face concave étant orientée dans le sens de la rotation. Le bout de la pale 82 vers le diamètre extérieur de la turbine est arrêté sensiblement en biseau. Lorsque le vent souffle à la surface du plan d'eau, il appuie sur chacune des pales 52,62 des turbines éoliennes 5,6. Selon la position de chacune des pales, la force aérodynamique sur celles-ci est variable. Si une pale présente sa face convexe, la force aérodynamique est inférieure à la force aérodynamique créée sur la pale symétrique qui présente sa face concave au vent. Ainsi, un couple est généré qui entraîne la rotation des turbines éoliennes. Compte tenu de l'orientation des pales, les deux turbines tournent dans des sens opposés. Le mouvement contrarotatif est transmis par les arbres de transmission aux turbines hydrauliques 7,8. Les turbines hydrauliques entraînent un mouvement ascendant de l'eau dans l'axe des arbres de transmission. Le flux vertical arrivant en surface, il s'oriente alors à l'horizontal en rayonnant autour de la plate-forme, comme le montrent les flèches Fe. Le mouvement de brassage de l'eau est ainsi créé, et il permet la déstratification de l'eau et son oxygénation en profondeur. La position de profondeur de turbines hydrauliques est ajustable grâce aux filetages des extrémités des arbre de transmission. Le système éolien est ainsi adapté en fonction de la profondeur locale du plan d'eau. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple. Il est possible d'ajouter des paires supplémentaires de turbines éoliennes avec les arbres de transmission et les turbines correspondantes. Ceci augmente la puissance de l'installation, tout en conservant une emprise limitée en surface. Les pales des turbines hydrauliques peuvent être orientées de telle sorte que les flux créés par chaque turbine soient opposés, pour créer un autre type de brassage. Par ailleurs, les turbines éoliennes peuvent être d'un type différent, mais à axe vertical. On peut citer les turbines Savonius ou Lafond, sans être limitatif. De même, les turbines hydrauliques peuvent être d'un type différent, par exemple du type axial ou centrifuge. Différents types de turbines hydrauliques peuvent même être combinés. REVENDICATIONS 1. Système éolien de brassage d'eau d'un plan d'eau, le système comportant un mât fixe (4) ayant un axe de mât sensiblement vertical, une première turbine éolienne (5) montée rotative sur le mât (4) autour de l'axe du mât, une première turbine hydraulique (7) montée rotative dans l'eau, un premier arbre de transmission (9) reliant directement en rotation la première turbine éolienne (5) à la première turbine hydraulique (7), caractérisé en ce que le système comporte en outre une deuxième turbine éolienne (6) montée rotative autour de l'axe du mât, une deuxième turbine hydraulique (8) montée rotative dans l'eau, un deuxième arbre de transmission (10) reliant directement en rotation la deuxième turbine éolienne (6) à la deuxième turbine hydraulique (8), le deuxième arbre de transmission (10) étant monté rotatif dans le premier arbre de transmission (9), les turbines éoliennes (5,6) étant contrarotatives. 2. Système éolien selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque turbine éolienne (5,6) comportent une pluralité de pales (52,62) régulièrement réparties dans un plan de rotation perpendiculaire à l'axe de mât, chaque pale (52,62) comportant un demicylindre dont deux génératrices diamétralement opposées délimitant la pale sont situées dans un plan axial de la turbine (5,6) de telle sorte que lorsqu'une pale présente sa face concave au vent, elle subit une action du vent plus forte que lorsqu'elle présente sa face convexe au vent, cette action différentielle entraînant la rotation de la turbine. 3. Système éolien selon la revendication 1, caractérisé en ce que les turbines hydrauliques (7,8) sont configurées pour créer un flux d'eau vertical ascendant (Fe). 4. Système éolien selon la revendication 1, caractérisé en ce que les turbines hydrauliques (7, 8) sont configurées pour créer un flux d'eau vertical descendant. 5. Système éolien selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque turbine hydraulique (7,8) comporte une pluralité de pales (72,82) régulièrement réparties dans un plan de rotation perpendiculaire à l'axe de rotation de la turbine hydraulique, chaque pale étant orientée pour créer un flux d'eau vertical. 6. Système éolien selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque pale (72,82) comportant un demi-cylindre et deux génératrices du demi-cylindre diamétralement opposées délimitant la pale, l'axe du demi-cylindre étant radial à l'axe de rotation, le côté concave de la pale étant orienté dans le sens de rotation de la turbine, un plan (P) contenant lesdites génératrices étant incliné d'un angle (a) prédéterminé par rapport à un plan axial de la turbine.