Brevet FR2813643A1 — publié le 20020308

La présente invention concerne un dispositif immergé pour la captation d'énergie hydraulique. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, au réseau hydraulique des cours d'eau. De nos jours, la production d'énergie doit être diversifiée pour préserver nos ressources naturelles. Les hydrocarbures s'épuisent, polluent, et contribuent à l'effet de serre ; l'uranium produit des déchets indésirables, faute d'un recyclage efficace ; mais la demande d'énergie électrique croit de jour en jour. La production locale par de mini centrales hydrauliques peut solutionner une partie de notre approvisionnement, par un moyen qui doit concilier respect de l'environnement et rentabilité. Avec la libéralisation de la production d'énergie électrique, jusqu'à présent domaine exclusive de la compagnie nationale Electricité De France, chaque particulier a maintenant la possibilité de produire de l'énergie électrique non seulement pour ses besoins mais également à des fins de commercialisation. On sait qu'il existe, à l'heure actuelle, des barrages permettant de produire de l'énergie électrique de manière rentable par rapport aux autres moyens de production d'énergie. Ces ouvrages techniques représentent un coût financier énorme et ne peuvent donc être entrepris, ou financés, que par l'état. De plus, la législation concernant l'utilisation qui peut être faite des cours d'eau est très contraignante ; en effet, si les bords d'un fleuve, ou d'une rivière, peuvent appartenir à des propriétaires privés, le cours d'eau reste du domaine public et aucun aménagement entravant ledit cours d'eau ne peut être accepté sans des autorisations préfectorales exceptionnellement accordées. Des solutions ont été apportées pour proposer, aux particuliers, des moyens de produire de l'électricité, notamment en utilisant la puissance de l'eau. Ainsi le brevet français N 7441062 propose une solution la plus adaptée aux besoins des particuliers. Ce brevet décrit un dispositif, installé dans le lit d'une rivière, comprenant des pâles capables de se lever et de s'abaisser avec une position variable en fonction de la force du courant. Ce dispositif présente un certain nombre d'inconvénients. Tout d'abord, les articulations nécessaires aux susdites pâles peuvent être grippées ou simplement être détériorées par un objet flottant à la surface de l'eau ou entre deux eaux. Ce dispositif est fragile et présente un caractère de dangerosité évident pour les éventuels baigneurs et autres utilisateurs du milieu aquatique considéré. A ce titre, il paraît peu vraisemblable que ledit dispositif puisse obtenir une autorisation de construction et/ou d'utilisation. D'une manière générale, les systèmes de production d'électricité adaptés aux particuliers sont mal conçus pour être aménager dans le lit d'une rivière car ils sont trop volumineux et visibles pour satisfaire certains critères d'esthétisme, ainsi que certaines considérations plus écologiques. En effet, ces ouvrages sont inappropriés pour leur environnement car ils sont trop imposants et donc très visible au milieu d'un cadre naturel. De plus, ces dispositifs sont très bruyants. L'invention a particulièrement pour but de supprimer ces inconvénients. Elle propose à cet effet un dispositif immergé de captation d'énergie hydraulique comprenant une buse verticale comportant une partie inférieure cylindro- pyramidale et une partie supérieure spiralée dans laquelle est disposée une turbine coaxiale ; cette turbine comprenant des pales aubes galbées verticales et une conduite d'amenée débouchant tangentiellement dans la partie supérieure de manière à engendrer dans ladite buse un flux de giration hélio- centripète autour de la turbine. Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 représente une vue de dessus par abstraction du plancher (P) d'un générateur mono-turbine immergé pour usage pavillonnaire, ou locaux de meunerie avec demeure privée, La figure 2 représente une vue en rive droite en coupe A-A selon le schéma de la figure 1, La figure 3 représente une vue de face, côté amont, en coupe B-B selon le schéma de la figure 1, La figure 4 représente une vue de dessus par abstraction du plancher (P) d'un générateur bi-turbines immergé pour usage collectif, communal ou pour les entreprises riveraines, La figure 5 représente une vue en rive droite, en coupe A-A selon le schéma de la figure 4, La figure 6 représente une vue de face, côté amont en coupe B-B selon le schéma de la figure 4, La figure 7 représente une vue de dessus par abstraction du déversoir d'un générateur mono-turbine émergé pour électrification de relief avec chute d'eau, La figure 8 représente une vue en rive droite, en coupe A-A selon le schéma de la figure 7, La figure 9 représente une vue de face, côté amont en coupe B-B, d'une grille à peigne apparent selon le schéma de la figure 7, La figure 10 représente une vue de dessus par abstraction du support de turbine, d'un générateur mono-turbine enterré dans la berge pour usage particulier et collectif, La figure 11 représente une vue en rive droite en coupe B-B selon le schéma de la figure 10, La figure 12 représente une vue de face, côté amont en coupe B-B selon le schéma de la figure 10, La figure 13 représente une vue de face d'une grille autonettoyante à peigne à dents à effet sécateur, La figure 14représente une vue de droite d'une grille et son dispositif d'ouverture selon un des quatre modèles présentés, La figure 15 est une coupe d'une turbine d'un des quatre modèle selon l'axe AA', La figure 16 représente une vue de dessus des pales-aubes par abstraction du cône de fixation. Le principe de fonctionnement est identique pour les différents modèles d'hydrogénérateurs représentés, à part quelques différences selon le choix et le site disponible. Le premier modèle d'hydrogénérateur mono-turbine, représenté sur les figures 1, 2 et 3, est immergé dans le cours d'eau, ou le merlon, d'une retenue artificielle. Une retenue incorporée 12, submergeable par débit de fuite ou débordement d'eau non turbiné, retient une réserve d'eau tranquillisée en amont AM afin d'être convertie en énergie cinétique, à faible pression dynamique sur les pales-aubes 14. Ainsi l'eau captée à faible vitesse d'entrée, traverse une grille à peigne basculant 1 pour le dégrillage des végétaux et d'objets semi-flottants, l'eau s'accélère ensuite dans une canalisation convergente 2, franchit le seuil d'une vanne régulatrice, ou d'arrêt, à tiroir 3 reliée à un mécanisme de commande 4 puis entre dans la buse verticale spiralée 5 à vitesse maximum pour se répartir en giration hélio-centripète autour de la turbine afin de traverser radialement des pales-aubes galbées 14, transformant son énergie potentielle hydraulique en énergie mécanique. L'eau s'évacue ensuite avec perte de vitesse axiale dans la buse cylindro-pyramidale formant un diffuseur-aspirateur 8 en tourbillonnant, puis dans une canalisation divergente en forme de siphon 9 pour perdre sa vitesse de rotation et de translation, sans remous trop néfaste. L'eau s'échappe sous la retenue 12 vers la sortie en aval 10 où elle est rejointe par le débit de fuite ayant franchit le sommet de la retenue 12 et le déversoir à redan 11 pour l'éjection horizontale d'oxygénation. Le mécanisme de rotation des pales-aubes galbées 14 autorise ces dernières à tourner dans le sens trigonométrique si le dispositif est situé dans lllémisphère nord et dans le sens horaire si le dispositif est situé dans 1`hémisphère sud. La turbine est constituée d'un cône de fixation 18 des pales-aubes 14 dont le nombre est défini par le diamètre de ladite turbine. Les pales turbines sont reliées par une couronne d'assemblage 6 afin d'assurer la rigidité et la répartition des efforts hydrodynamiques. Un moyeu à roulement à galets, ou à bagues de friction, fixé sur un disque renforcé par des goussets 15 compose l'ensemble support de l'arbre de transmission vertical 29 et de la turbine en rotation. Des joints protègent les susdits roulements d'une pénétration d'eau par pression et infiltration dans un caisson étanche 17 formé par une cloison cylindrique 16 avec le couvercle d'extraction de la turbine. Un fourneau 20, profilé dans le sens du courant, écarte tout enroulement de végétaux et prévient contre tous chocs autour de l'arbre munit d'un joint d'accouplement 19 avec un multiplicateur 22 et un alternateur 21. Une passerelle technique 25 munit de quelques marches 26 supporte l'équipement électromécanique et assure l'accès au dégrillage manuel lors d'interventions rendues nécessaire par l'impossibilité de gérer un problème, à distance, de façon électronique ; ladite passerelle 25 peut être déplacée sur les rives 13 par roulement lors de l'extraction d'une ou des turbines par levage. Le peigne 33 de la grille autonettoyante 1, représenté sur la figure 13, fonctionne en manuel ou automatique, commandée à volonté ou par pressostat situé dans la canalisation convergente, fonctionnant par détection d'une baisse de pression dynamique due au colmatage partiel de la grille d'arrivée d'eau, une sonde de niveau amont peut également intervenir dans la commande de la grille à peigne 1, afin d'éviter son fonctionnement par perte de débit. Une tuyauterie de mise à air libre, non représentée sur les figures, assure le désamorçage du siphon 9 en cas d'interventions sur la libre rotation de la turbine pour contrôle ou extraction d'entretien (fuite, graissage, changement de roulement). Un écrou conique à broches 30 bloque la turbine sur son arbre de transmission creux 29 ; l'assemblage peut-être réalisé par emmanchement conique ou cylindrique avec clavettes ou cannelures. La régulation de fréquence électrique autour de 50 Kz est effectuée par le niveau constant de l'eau en charge dans la réserve amont. Un détecteur de niveau relève la hauteur entre les biefs et les sondes presso-statique et dynamique ; il analyse avec un processeur la variation de débit pour commander la vanne à tiroir 3 afin de réduire ou d'augmenter l'arrivée d'eau en fonction de la demande d'énergie. Le second modèle d'hydrogénérateur, représenté sur les figures 4, 5 et 6, est biturbine, immergé comme le premier modèle. Le fonctionnement est identique ; le captage d'eau est commun aux deux turbines, une séparation 7 divise le débit. Les évacuations en sortie de turbines par des diffuseurs- aspirateurs 8 accèdent dans un canal interne de dérivation 9 passant sous les deux turbines, venant de l'amont. Une porte de fond 24 actionné par mécanisme à crémaillère ouvre le canal de dérivation pour la mise hors d'eau des turbines ainsi que la canalisation convergente 2 et la grille à peigne 1 afin d'aeuvrer à l'entretien et au nettoyage manuel du générateur due à des dépôts d'objets indésirables sur ladite grille, ou simplement stoppés sur la retenue et autour des fourreaux. Les vannes à tiroir 3 de régulation, ou d'arrêt, sont indépendantes, à commandes automatiques ou manuelles selon le débit, les besoins d'énergie ou d'arrêt de la turbine, et ce pour maintenir un niveau constant dans le bief amont. Sur la passerelle technique, un transformateur, non représenté sur les figures, peut être joint à l'armoire électrique 23 de commande et de synchronisation des turbines. Ces deux modèles constituent un tube à venturi dans un container hissable pour mise en place dans un radier bétonné. Le troisième modèle dhydrogénérateur monoturbine émergé, représenté sur les figures 7, 8 et 9, concerne un captage de cours d'eau d'altitude avec chute, ayant peu d'effet de réserve potentielle, pour équiper les sites de relief afin notamment, d'électrifier les chalets, refuges ou stations de ski en zone inaccessible, à risque d'avalanches ou de chutes de pierres et où le transport d'énergie est trop onéreux. Un générateur capte à travers une grille à peigne anti-pierres 1 l'eau vive du cours d'eau pour remplir la canalisation convergente 2 avec la conduite forcée modulable 28 constituant une pression dynamique avec plus ou moins de débit pour traverser la turbine soumise à l'effet aspirateur du diffuseur 8 et partiellement du siphon divergent 9 dirigé vers l'aval AV. L'excédent de débit s'écoule au dessus du générateur par une canalisation 11 à saut de ski pour éjecter ledit excédent loin de la sortie 10 afin d'éviter une contre-pression aval. Cette canalisation 11 protégé l'équipement électromécanique des chutes de pierres et de l'enneigement. Une main courante 27 évite la chute d'un opérateur lors d'une opération de maintenance et/ou d'un contrôle sur le générateur. Un détecteur d'arrivée d'eau dans la canalisation convergente 2 commande la vanne à tiroir 3 pour limiter l'admission à la turbine en fonction du débit saisonnier., La vitesse de rotation du générateur peut être constante. L'usage préconisé est pour le chauffage, le sanitaire ou la charge de batterie d'accumulation. Un élément modulable contenant la conduite forcée 28 s'adapte à la hauteur de captage par rehaussement. Des pieds de stabilisation facultatifs favorisent la mise à niveau et la fixation du générateur dans le cas où l'enrochement en palier T est insuffisant. Le quatrième modèle d'hydrogénérateur monoturbine enterré, représenté sur les figures 10, 11 et 12, concerne une installation sur cours d'eau à propriété mitoyenne ou à grandes largeur de berges. Le principe de fonctionnement restant identique aux autres modèles, l'aménagement du site comprend un terrassement au sein de la berge pour loger sous remblai le générateur, de manière à le confondre avec l'environnement. Une retenue modulable 12 par éléments peut être réalisée pour inclure une écluse, un déversoir, une échelle à poisson et des vannes de vidange ou de délestage. Ce générateur peut être doublé dans la berge opposée, sur le prolongement de la retenue, et quadruplé ou sextuplé vers l'amont, des canaux collecteurs enterrés évacuant l'eau turbinée sous les berges vers l'aval. Selon le débit du cours d'eau, la mise en service et la synchronisation de chaque générateur peut être commandées d'un poste unique à distance. Le générateur est réalisable en tôle inoxydable pour les petites installations, en éléments préfabriqués ou en béton armé pour les plus grandes unités. En outre, chacun des éléments de ces dispositifs est réalisé dans un matériau et avec une géométrie telle que ces dispositifs sont montables et démontables à volonté. Ainsi, la conception de ces quatre modèles d`hydrogénérateur doit satisfaire au meilleur rendement et fiabilité pour l'usager. Les canalisations requièrent une finition sans aspérité ni défaut d'assemblage pour l'écoulement hydrodynamique, loi de Reynolds, appliquée aussi à la turbine tributaire d'un certain nombre de pales-aubes afin de réduire la perte de charge par frottement et par érosion du métal. Le mécanisme de relevage du peigne 33 de la grille 1 à barreaux 32 est asservi avec limitateur d'effort. Un drain d'évacuation de fuite par infiltration est placé entre le compartiment étanche 17 et la retenue 12, incliné vers le sol, en aval pour éliminer toute trace d'eau. Revendications 1. Dispositif de captation d'énergie hydraulique immergé dans le lit d'un cours d'eau, caractérisé en ce qu'il comprend une buse verticale (5) comportant une partie inférieure cylindro-pyramidale et une partie supérieure spiralée dans laquelle est disposée une turbine coaxiale ; cette turbine comprenant des pales aubes galbées (11) verticales et une conduite d'amenée (8) débouchant tangentiellement dans la partie supérieure de manière à engendrer dans ladite buse (5) un flux de giration hélio-centripète autour de la turbine, à sens trigonométrique pour lliémisphère nord et à sens horaire pour l'hémisphère sud, en application des forces de Coriolis. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qn une canalisation convergente de section rectangulaire (2), débouchant dans la susdite buse (5), comprend une grille (1) à peigne disposée obliquement ou sensiblement de face par rapport au sens d'écoulement du liquide. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend des moyens de retenue (12) du liquide, avec déversoir à redan. 4. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'assemblage des éléments forme un tube de venturi dans un container hissable pour une mise sur site dans un radier. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une dérivation interne (9) aux générateurs sous container peut dévier totalement le cours d'eau sous la turbine par ouverture d'une porte de fond (24) pour leur mise hors d'eau. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la turbine est reliée à un récepteur électrique, ou à une pompe d'irrigation, permettant la transformation, et éventuellement le stockage, de l'énergie potentielle et cinétique du liquide, en courant électrique et/ou en énergie mécanique, par l'intermédiaire d'un multiplicateur fixé sur une passerelle (25) ou sur une plate-forme hors crue.. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de sortie du liquide, par exemple un diffuseur (8) surmonté d'un évasement, aspirant par gravité et siphonnage rectangulaire en évacuant ensuite ledit liquide par une canalisation divergente anti-remous. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend une vanne régulatrice (3), ou d'arrêt, reliée à un mécanisme de commande (4), permettant de stopper le mécanisme d'admission de l'eau et ainsi le dispositif sera mis hors d'eau dans le cas, par exemple, de travaux d'entretien. 9. Dispositif selon les revendications 1 et 5, caractérisé en ce que les éléments du dispositif sont réalisés d'ans un matériau et avec une géométrie telle que ledit dispositif est montable et démontable à volonté pour palettisation relative au transport sur route, par air ou mer. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'assemblage des éléments forme un tube de venturi dans un container hissable pour une mise sur site dans un radier.