Brevet FR2849474A3 — publié le 20040702

FR 2849474 A3 20040702 FR 0216824 A 20021227 -1 La présente invention concerne une installation de transformation de l'énergie cinétique d'un fluide en énergie électrique. On connaît déjà dans l'état de la technique une installation de transformation de l'énergie cinétique d'un fluide, dit fluide moteur, en énergie électrique destinée à être 5 distribuée dans un réseau électrique, du type comprenant un site de captage de l'énergie cinétique du fluide moteur sur lequel est installée au moins une hélice entraînée par le fluide moteur. Ce type d'installation permet essentiellement de récupérer, sous forme d'énergie électrique, l'énergie: - des courants marins ou fluviaux (dans ce cas le fluide moteur est l'eau) , notamment des courants de marée, - de la houle(dans ce cas le fluide moteur est l'eau de mer), ou - du vent (dans ce cas le fluide moteur est l'air). Habituellement, l'hélice (de turbine ou d'éolienne) est couplée mécaniquement 15 à un générateur électrique, de préférence un alternateur installé sur le site de captage. Sont généralement également installés sur ce site de captage des moyens de conditionnement de l'énergie électrique produite par le générateur. En effet, le générateur, directement couplé à l'hélice, ne produit pas un courant synchronisé avec le réseau (la fréquence du courant délivré par le générateur est fonction de la vitesse de rotation de 20 l'hélice). Le réseau est habituellement un réseau de type infini c'est-à-dire imposant sa tension et sa fréquence. Les moyens de conditionnement de l'énergie électrique conditionnent le courant pour le synchroniser avec le réseau. En milieu aquatique, notamment en milieu marin ou fluvial, le générateur et les moyens de conditionnement de l'énergie électrique produite par ce générateur sont 25 généralement immergés dans l'eau, qui constitue le site de captage, ce qui pose des problèmes de protection et d'entretien de ces équipements. En milieu aérien, l'hélice est généralement placée dans une nacelle, en haut d'un mât d'éolienne (site de captage). Cette nacelle loge habituellement un ou deux générateurs (non synchronisés avec le réseau), des moyens formant boîte de vitesses ou 30 multiplicateur, des moyens formant batterie tampon et des moyens formant onduleur délivrant un courant synchrone avec le réseau. On souhaite généralement produire l'énergie électrique à partir de plusieurs hélices entraînées par le fluide moteur. A chaque hélice sont associés un générateur électrique et des moyens de conditionnement de l'énergie électrique produite par ce 35 générateur. La multiplication des moyens de conditionnement de l'énergie électrique, -2 d'une part, est relativement coteuse et, d'autre part, peut limiter la qualité du courant synchronisé envoyé sur le réseau. L'invention a pour but de proposer une installation de transformation de l'énergie cinétique d'un fluide en énergie électrique, du type précité, facile à entretenir et à 5 implanter en milieu aquatique ou aérien, permettant notamment de produire de façon fiable, au moyen de plusieurs hélices, un courant synchronisé avec un réseau électrique. Le réseau électrique peut être de type infini mais il est peut être également envisagé le cas de petits réseaux ou de réseaux séparés (endroits isolés, petites îles o l'usage des éoliennes est fréquent) pour lesquels la régulation seule de l'installation garantit alors le 10 respect des normes de tension et de fréquence du réseau local. A cet effet, l'invention a pour objet une installation de transformation de l'énergie cinétique d'un fluide, dit fluide moteur, en énergie électrique, du type précité, caractérisé en ce qu'il comprend un site de conditionnement de l'énergie électrique, pour 15 la distribuer dans le réseau, distinct du site de captage, en ce que sont également installés sur le site de captage des moyens de production d'un flux électrique ou hydraulique, dit flux de liaison inter-sites, couplés à l'hélice, et en ce que sont installés sur le site de conditionnement: - des moyens de régulation du flux de liaison inter-sites, reliés aux moyens de production du flux de liaison inter-sites par un circuit de liaison intersites, et une machine électrique, dite machine de distribution, entraînée par le flux de liaison inter-sites régulé, la machine de distribution formant un 25 générateur électrique relié au réseau. Ainsi, le site de conditionnement de l'énergie électrique, dans lequel sont installés les moyens de régulation du flux de liaison inter-sites et la machine de distribution, peut constituer un emplacement abrité et facilement accessible. Les moyens de régulation du flux de liaison intersites permettent de conditionner, sur le site de 30 conditionnement de l'énergie électrique, un courant synchrone avec le réseau électrique. Ces moyens de régulation du flux de liaison inter-sites peuvent être communs à plusieurs hélices. Le site de conditionnement de l'énergie électrique peut être placé en tout lieu spécialement aménagé: - à terre lorsque l'hélice et les moyens de production du flux de liaison intersites sont immergés dans l'eau (les moyens de régulation du flux de liaison -3 inter-sites n'étant plus immergés comme dans l'état de la technique, leur cot d'installation et d'entretien est réduit), - sur une plate-forme en mer (offshore) pour une installation éloignée des côtes (dans le cas, par exemple, d'un parc d'éoliennes en mer; le flux de 5 liaison inter-sites sous la forme d'un flux hydraulique ou d'un flux de courant à basse tension étant mal adapté aux grandes distances), ou - au sol lorsque l'hélice et les moyens de production du flux de liaison intersites sont logés en haut d'un mât d'éolienne. La machine de distribution, accessible sur le site de conditionnement dans un 10 emplacement abrité, peut être entretenue facilement. Le circuit de liaison inter-sites relève d'une technologie simple. Ce circuit est donc facile à agencer dans un milieu aquatique ou aérien. Avantageusement, la machine de distribution est un alternateur, de préférence de type synchrone. L'alternateur de type synchrone relève d'une technologie simple et depuis longtemps éprouvée. On bénéficie de la commande relativement simple de ce type d'alternateur, notamment en ce qui concerne le couplage avec un réseau électrique de distribution de courant. Après couplage au réseau, la fréquence de l'alternateur synchrone est indépendante de la vitesse de rotation de l'hélice. La puissance de l'alternateur est 20 toutefois dépendante de cette vitesse de rotation. De préférence, l'hélice et les moyens de production du flux de liaison intersites sont regroupés dans un module placé, au moins partiellement, dans le fluide moteur. Ce module, relativement simple et rustique, est bien adapté à un agencement en milieu aquatique ou aérien. Avantageusement, le dispositif comprend plusieurs modules comportant chacun une pompe hydraulique, entraînée par le fluide moteur, et des moyens de production du flux de liaison inter-sites. La multiplication des modules permet notamment: - de lisser la puissance fournie par l'alternateur, et - d'autoriser l'arrêt d'une partie seulement des modules pour des besoins de maintenance. Les moyens de régulation du flux de liaison inter-sites et la machine de distribution peuvent être communs à plusieurs modules ce qui, d'une part, simplifie la régulation de puissance et de tension du courant délivré au réseau électrique et, d'autre 35 part, réduit les cots de construction et d'entretien de l'installation selon l'invention. -4 Suivant d'autres caractéristiques optionnelles de différents modes de réalisation de cette installation: - le réseau électrique est de type infini ou non; - les modules sont raccordés en parallèle au circuit de liaison inter- sites; - le fluide moteur est l'eau, le site de captage, dans lequel chaque module est agencé, étant situé dans un milieu aquatique, le site de conditionnement étant situé à terre; - le fluide moteur est l'air, le site de captage, dans lequel chaque module est agencé, étant situé en hauteur par rapport au site de conditionnement; 10 - chaque module est agencé en haut d'un mât, les moyens de régulation du flux de liaison inter-sites et la machine de distribution étant agencés au niveau du sol ou dans le sous le sol ou encore sur une plate-forme en mer; - le flux de liaison inter-sites est un liquide, les moyens de production de ce 15 flux comprenant une pompe hydraulique munie d'un rotor solidaire en rotation de l'hélice, les moyens de régulation du flux de liaison inter- sites étant reliés à la pompe par le circuit de liaison inter-sites formant un circuit hydraulique; - les moyens de régulation du flux de liaison inter-sites comprennent un 20 moteur hydraulique ou une roue de type Pelton; - le liquide circulant dans la pompe hydraulique est un liquide, de préférence non polluant, comprenant par exemple de l'eau éventuellement distillée, de l'eau de mer ou de l'huile biologiquement compatible avec l'environnement; - le flux de liaison inter-sites est un courant électrique continu, les moyens de production de ce flux comprenant un ensemble formant alternateur/redresseur muni d'un rotor solidaire en rotation de l'hélice, les moyens de régulation du flux de liaison inter-sites étant reliés à l'ensemble alternateur/redresseur par le circuit de liaison inter-sites formant un circuit 30 électrique; - les moyens de régulation du flux de liaison inter-sites comprennent des moyens de régulation de puissance régulant le courant continu de liaison inter-sites et pilotant un moteur à courant continu, ce dernier étant couplé à la machine de distribution; -5 - les moyens de régulation du flux de liaison inter-sites comprennent un moteur à courant continu couplé à la machine de distribution par des moyens hydrauliques. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation d'un module d'une installation selon l'invention; - la figure 2 est une vue schématique d'un groupe de modules tels que celui illustré sur la figure 1; - la figure 3 est une vue schématique d'un deuxième mode de réalisation d'un module d'une installation selon l'invention; - la figure 4 est une vue analogue à la figure 2 d'un groupe de modules selon un troisième mode de réalisation de l'invention. On a représenté sur les figures 1 et 2 une installation 10 de transformation de 15 l'énergie cinétique d'un fluide, dit fluide moteur, en énergie électrique, selon un premier mode de réalisation de l'invention. Cette énergie électrique est destinée à être distribuée dans un réseau électrique, notamment de type infini c'est-à-dire imposant sa tension et sa fréquence. Dans ce premier mode de réalisation de l'invention, le fluide moteur est l'eau, 20 plus particulièrement l'eau de mer. Dans l'exemple illustré sur les figures 1 et 2, l'installation 10 comprend plusieurs modules 12 immergés, au moins partiellement, dans l'eau de mer. Un module 12 est représenté plus en détail sur la figure 1. Ces modules 12 sont installés sur un site A de captage de l'énergie cinétique du fluide moteur. Ainsi, dans ce premier mode de 25 réalisation de l'invention, le site de captage A est situé dans un milieu aquatique, à savoir l'eau de mer. Chaque module 12 comprend une pompe hydraulique 14 munie d'un rotor 16 solidaire en rotation d'une hélice 18. L'hélice 18 est entraînée par le fluide moteur. La pompe hydraulique 14 forme des moyens de production d'un flux 30 hydraulique couplés à l'hélice 18. De préférence, le liquide circulant dans les pompes hydrauliques 14 est un liquide non polluant comprenant, par exemple, de l'eau éventuellement distillée, de l'eau de mer ou de l'huile biologiquement compatible avec l'environnement, plus particulièrement avec l'environnement marin. -6 La pompe hydraulique 14 et l'hélice 18 sont portées par un châssis 20 schématisé sur la figure 1. Ce châssis 20 est porté par un socle 22 comportant par exemple plusieurs éléments en béton 24, bâtis sur le fond marin 26. Le châssis 20 est accroché, d'une part, sur le socle 22, et d'autre part, sur le 5 fond marin 26 à l'aide de moyens classiques comprenant notamment des moyens d'amarrage 28. Les dimensions du châssis 20 et des différents éléments 24 du socle 22 sont adaptées pour permettre, d'une part, des déplacements habituels de sédiment sur le fond marin 26, et d'autre part, de ne pas entraver le passage de navires au-dessus du module 10 12. L'installation 10 permet de récupérer, sous forme d'énergie électrique, l'énergie de courants marins. A cet effet, les modules 12 sont sensiblement alignés perpendiculairement à la direction moyenne de ces courants marins. Sur la figure 2, on a représenté la direction générale des courants marins par deux flèches opposées 15 évoquant les deux sens possibles de ces courants. L'installation 10 comprend également un site B de conditionnement de l'énergie électrique pour la distribuer dans le réseau. Ce site de conditionnement B, qui est distinct du site de captage A, est situé de préférence à terre. Des moyens 30 de transformation de l'énergie de pression du liquide refoulé 20 par chaque pompe 14 en énergie électrique sont installés sur le site de conditionnement B, c'est-à-dire à terre afin de faciliter leur installation et leur entretien. Ces moyens de transformation 30 sont reliés à chaque pompe hydraulique 14 par un circuit hydraulique 32 schématisé sur la figure 2. Ce circuit 32 forme un circuit de liaison inter-sites dans lequel circule le flux hydraulique (liquide) dit flux de liaison inter25 sites. Le circuit 32 de liaison inter-sites comprend notamment une branche basse pression BP raccordée à une entrée de chaque pompe 14 et une branche haute pression HP raccordée à une sortie de refoulement de chaque pompe 14. On notera que les modules 12 sont raccordés par exemple en parallèle au 30 circuit 32 de liaison inter-sites. Les moyens 30 de transformation de l'énergie de pression en énergie électrique comprennent une machine électrique, dite machine de distribution 34, et des moyens 36 de régulation du flux de liaison inter-sites. La machine de distribution 34, formant un générateur électrique relié au 35 réseau, est entraînée par le flux de liaison inter-sites régulé. -7 Les moyens 36 de régulation du flux de liaison inter-sites sont reliés aux moyens de production du flux de liaison inter-sites (les pompes 14 des modules 12) par le circuit hydraulique de liaison inter-sites 32. De préférence, les moyens 36 de régulation du flux de liaison inter-sites comprennent un moteur hydraulique ou une roue de type Pelton. La machine de distribution 34 est avantageusement un alternateur de type synchrone. Cet alternateur, synchronisé au réseau, est susceptible d'être régulé en puissance et en tension. La machine de distribution 34 peut être "accrochée" au réseau si bien qu'elle 10 pourrait fonctionner momentanément en moteur, lors notamment d'un ralentissement temporaire de la rotation des hélices 18. L'énergie consommée sert alors au seul maintient en vitesse de la machine 34. On notera que la structure de la pompe hydraulique 14 est simple. Divers liquides classiques, de préférence non polluant, peuvent être utilisés dans la pompe. La 15 pompe hydraulique est facile à commander. Ainsi, l'hélice et la pompe hydraulique peuvent être agencées facilement dans un milieu aquatique ou aérien. On notera également que chaque module 12 placé, au moins partiellement, dans le fluide moteur, regroupe une hélice 18 et des moyens 14 de production du flux de liaison inter-sites. Par contre, les moyens 36 de régulation du flux de liaison inter-sites et la machine de distribution 34 sont communs à plusieurs modules 12. Sur la figure 3, on a représenté une installation 10 de transformation de l'énergie cinétique d'un fluide moteur en énergie électrique, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Dans ce deuxième mode de réalisation de l'invention, le fluide moteur est l'air. Chaque module 12 est agencé dans une éolienne E munie d'un mât 38. Le module 12 comprenant la pompe 14 et l'hélice 18 est agencé en hauteur par rapport aux moyens 30 de transformation de l'énergie de pression en énergie électrique, par exemple dans une nacelle classique de l'éolienne E. Les moyens 30 de transformation de l'énergie de pression en énergie électrique sont agencés au niveau du sol ou dans le sous-sol ou encore sur une plateforme en mer. Ainsi, le site de captage A, dans lequel chaque module 12 est agencé, est situé en hauteur par rapport au site de conditionnement B. Les moyens 36 de régulation du flux de liaison inter-sites et la machine de distribution 34, installés dans le site de conditionnement B, sont donc agencés au niveau du sol ou dans le sous le sol ou encore sur une plate- forme en mer. On notera que, le cas échéant, le réseau électrique peut être de type fini: petit 5 réseau local ou réseau séparé (agencé dans un endroit isolé, par exemple une petite île, o l'usage des éoliennes est fréquent). Dans ce cas, la régulation seule de l'installation 10 garantit le respect des normes de tension et de fréquence du réseau local. Sur la figure 4, on a représenté une installation 10 de transformation de l'énergie cinétique d'un fluide moteur en énergie électrique, selon un troisième mode de 10 réalisation de l'invention. Dans ce troisième mode de réalisation de l'invention, le flux de liaison intersites est un courant électrique continu. Les moyens de production de ce flux comprennent un ensemble formant alternateur/redresseur 14 muni d'un rotor 16 solidaire enrrotation de l'hélice 18. La fonction redresseur peut être réalisée notamment par un pont de diodes 39. 15 Les moyens de régulation du flux de liaison inter-sites comprennent des moyens de régulation de puissance 40 régulant le courant continu de liaison inter-sites et pilotant un moteur à courant continu 42. Ce dernier est couplé à la machine de distribution 34. Les moyens de régulation du flux de liaison inter-sites, notamment les moyens 20 de régulation de puissance 40, sont reliés à chaque ensemble altemateur/redresseur 14 par le circuit de liaison inter-sites 32 formant un circuit électrique. En variante, les moyens de régulation du flux de liaison inter-sites peuvent comprendre un moteur à courant continu 40 couplé à la machine de distribution 34 par des moyens hydrauliques 42 réalisant la régulation. On notera que l'installation 10 selon le troisième mode de réalisation de l'invention peut s'appliquer à la récupération de l'énergie cinétique d'un fluide tel que l'eau ou l'air. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits ci-dessus. En particulier, les moyens de régulation du flux de liaison inter-sites peuvent 30 comprendre un ensemble à convertisseur hydraulique de couple muni de moyens de débrayage destinés à isoler la machine de distribution 34 des moyens 14 de production du flux de liaison inter-sites lors d'un ralentissement de la rotation de l'hélice 18. -9 REVENDICATIONS 1. Installation de transformation de l'énergie cinétique d'un fluide, dit fluide moteur, en énergie électrique destinée à être distribuée dans un réseau électrique, du 5 type comprenant un site (A) de captage de l'énergie cinétique du fluide moteur sur lequel est installée au moins une hélice (18) entraînée par le fluide moteur, caractérisé en ce qu'il comprend un site (B) de conditionnement de l'énergie électrique, pour la distribuer dans le réseau, distinct du site de captage (A), en ce que sont également installés sur le site de captage (A) des moyens (14) 10 de production d'un flux électrique ou hydraulique, dit flux de liaison inter-sites, couplés à l'hélice (18), et en ce que sont installés sur le site de conditionnement (B): - des moyens (36; 40, 42) de régulation du flux de liaison inter-sites, reliés aux moyens (14) de production du flux de liaison inter-sites par un circuit (32) de 15 liaison inter-sites, et une machine électrique, dite machine de distribution (34), entraînée par le flux de liaison inter-sites régulé, la machine de distribution (34) formant un générateur électrique relié au réseau. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau 20 électrique est de type infini c'est-à-dire imposant sa tension et sa fréquence ou séparé. 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la machine de distribution (34) est un alternateur, de préférence de type synchrone. 4. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'hélice (18) et les moyens (14) de production du flux de liaison 25 inter-sites sont regroupés dans un module (12) placé, au moins partiellement, dans le fluide moteur. 5. Installation selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs modules (12) comportant chacun une hélice (18), entraînée par le fluide moteur, et des moyens (14) de production du flux de liaison inter-sites. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisé en ce que les modules (12) sont raccordés en parallèle au circuit de liaison inter-sites (32). 7. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le fluide moteur est l'eau, le site de captage (A), dans lequel chaque module (12) est agencé, étant situé dans un milieu aquatique, le site de conditionnement (B) étant 35 situé à terre. -10 8. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le fluide moteur est l'air, le site de captage (A), dans lequel chaque module (12) est agencé, étant situé en hauteur par rapport au site de conditionnement (B). 9. Installation selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque 5 module (12) est agencé en haut d'un mât (38), les moyens (36) de régulation du flux de liaison inter-sites et la machine de distribution (34) étant agencés au niveau du sol ou dans le sous le sol ou encore sur une plate-forme en mer. 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le flux de liaison inter-sites est un liquide, les moyens de production de ce flux 10 comprenant une pompe hydraulique (14) munie d'un rotor (16) solidaire en rotation de l'hélice (18), les moyens (36) de régulation du flux de liaison inter-sites étant reliés à la pompe (14) par le circuit de liaison inter-sites (32) formant un circuit hydraulique. 11. Installation selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens (36) de régulation du flux de liaison inter-sites comprennent un moteur hydraulique ou une 15 roue de type Pelton. 12. Installation selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que le liquide circulant dans la pompe hydraulique (14) est un liquide, de préférence non polluant, comprenant par exemple de l'eau éventuellement distillée, de l'eau de mer ou de l'huile biologiquement compatible avec l'environnement. 13. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le flux de liaison inter-sites est un courant électrique continu, les moyens de production de ce flux comprenant un ensemble formant alternateur/redresseur (14) muni d'un rotor (16) solidaire en rotation de l'hélice (18), les moyens (40) de régulation du flux de liaison inter-sites étant reliés à l'ensemble alternateur/redresseur (14) par le circuit de 25 liaison inter-sites (32) formant un circuit électrique. 14. Installation selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens de régulation du flux de liaison inter-sites comprennent des moyens (40) de régulation de puissance régulant le courant continu de liaison inter- sites et pilotant un moteur à courant continu (42), ce dernier étant couplé à la machine de distribution (34). 15. Installation selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens de régulation du flux de liaison inter-sites comprennent un moteur à courant continu (40) couplé à la machine de distribution (34) par des moyens hydrauliques (42).