Brevet FR2891286A1 — publié le 20070330

L'invention concerne le domaine de la production d'électricité et celui des vannes de barrage. L'électricité obtenue au moyen des centrales hydroélectriques et des barrages est une source d'énergie importante exploitée depuis des décennies, de nombreux cours d'eau ont été aménagés afin de produire de l'électricité, réguler le débit des fleuves et permettre l'irrigation. Bien que l'énergie hydroélectrique soit considérée comme propre à produire et renouvelable l'installation de nouveaux barrages est très controversée notamment par les défenseurs du milieu naturel qui considèrent que les barrages perturbent notablement l'environnement, ainsi que par les populations locales qui doivent parfois être déplacées ou qui voient leurs terres immergées. Des installations hydro-électriques imposantes ne sont donc pratiquement plus réalisables aujourd'hui. Les retenues d'eau existantes ont par ailleurs permis l'aménagement d'infrastructures de loisirs, de bases nautiques, de campings et permis l'irrigation des terres en aval des barrages, il n'est pas envisageable de modifier de tels ouvrages afin de les rendre plus performants sans un impact humain et financier rédhibitoire. Ces retenues d'eau sont devenues indispensables malheureusement la technique actuelle ne permet pas de les adapter dans le sens d'une production accrue d'énergie. Dans le contexte écologique et économique actuel les seules retenues d'eau qui se créent et celles qui peuvent éventuellement être modifiées sont celles disposées au fil de l'eau pour réguler les débits des fleuves et des rivières, c'est-à-dire celles disposant d'une faible dénivellation permettant la régulation des cours d'eau sans perturbation environnementale. Il n'existe pas à ce jour de moyen simple permettant de récupérer l'énergie hydro-électrique de barrages de ce type, déjà installés, sans des travaux importants touchant la structure même de la retenue d'eau. Par ailleurs les turbogénérateurs électriques connus installés dans des structures fixes sont inadaptés pour des retenues d'eau de faible importance en raison principalement du coût d'installation rapporté à l'énergie produite. La problématique actuelle est donc de permettre la production d'électricité au moyen de modifications simples sur les barrages existants ainsi que la récupération de l'énergie des barrages au fil de l'eau dont la hauteur d'eau est réduite, cela avec un coût d'installation le plus bas possible. L'invention a pour objectif de résoudre ces principales difficultés en proposant un dispositif pouvant être installé sur des nouvelles retenues d'eau ou sur des installations existantes et correspondant à la combinaison de la fonctionnalité de vanne avec la fonctionnalité de génération d'énergie pour un investissement financier acceptable. La présente invention concerne une vanne de barrage, orientable autour d'un axe, destinée à être placée sur une retenue d'eau et à en réguler le débit d'écoulement, ladite vanne étant caractérisée en ce que sa structure est creuse et intègre des moyens permettant la production d'électricité, notamment au moins d'une turbine couplée à au moins un générateur. Ladite turbine étant alimentée par l'eau de débordement en provenance de la partie supérieure de la vanne. Les avantages de la vanne de barrage selon l'invention sont multiples: É l'énergie des retenues d'eau comportant des faibles dénivelés, par exemple pour des barrages au fil de l'eau, peut être récupérée, et cela avec un coût d'installation réduit, les vannes existantes pouvant être remplacées par les vannes selon l'invention, É il devient possible d'équiper de nouveaux barrages pour la production d'électricité alors que cela n'était pas envisageable auparavant, É la régulation du débit d'eau du barrage employant une vanne selon l'invention s'effectue comme avec une vanne usuelle, même si le générateur d'énergie ne fonctionne pas, É plusieurs unités de récupération de l'énergie peuvent être installées 5 sur une même vanne, multipliant ainsi la quantité d'énergie produite, É par rapport à une vanne standard l'encombrement de la vanne selon l'invention n'est que très légèrement supérieur, le dispositif n'entraîne donc aucun impact hydraulique supplémentaire, É la position inclinée de la prise d'eau et de la grille de retenue des 10 déchets empêche le colmatage de la turbine et permet un fonctionnement optimal pour la récupération d'énergie, É la grille de retenue placée à l'entrée de la prise d'eau bloque les déchets et empêche les poissons de traverser la turbine, le déversement de l'eau au-dessus de la vanne les rejette automatiquement vers l'aval, un tel dispositif conduit à une faible mortalité piscicole. Les fortes turbulences engendrées dans la zone d'évacuation de la turbine provoquent une importante oxygénation de l'eau bénéfique à la faune piscicole et au milieu naturel, É Une orientation à 90 de la vanne est prévue de manière à ce que la turbine ne soit pas alimentée en eau, cette position permet la maintenance et l'extraction éventuelle de l'ensemble générateur d'énergie de son logement dans la vanne sans qu'il soit nécessaire de vider la retenue d'eau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention se dégageront de la 25 description qui va suivre en regard des dessins annexés qui ne sont donnés qu'à titre d'exemples non limitatifs. La figure 1 présente une vue en coupe de la vanne de barrage dans une orientation de fonctionnement. La figure 2 illustre deux orientations de la vanne, en position haute de fonctionnement et en position basse, vanne ouverte. La figure 3 montre la vanne dans une position de fermeture complète pour la maintenance. La figure 1 représente la vanne de barrage selon l'invention dans une position de fonctionnement, c'est-à-dire inclinée par rapport à la verticale et selon un angle variable, ajustable, par rapport à l'horizontale. La vanne est articulée pour se déplacer autour d'un axe 1 perpendiculaire au fil de l'eau disposé a, base elt maintenu dans la structure fixe de la retenue d'eau par des ancrages dans un socle en béton, divers moyens connus permettant selon un fonctionnement classique le déplacement en rotation de la vanne autour de l'axe 1. Selon l'invention la vanne de barrage est caractérisée par la présence à l'intérieur de sa structure d'au moins une turbine 2 immergée permettant la production d'électricité au moyen d'un générateur 7, l'ensemble de la turbine 2 et du générateur 7 étant dénommé dans la suite de cette description turbogénérateur. La structure de la vanne est creuse et agencée de manière à comporter un ou plusieurs logements pour des ensembles turbogénérateurs. Selon la taille de la vanne, c'est-à-dire selon la hauteur d'eau de la retenue et la largeur d'écoulement souhaitée, il pourra être disposé un ou plusieurs turbogénérateurs d'électricité dans la structure creuse de la vanne. De préférence lesdits turbogénérateurs seront régulièrement répartis dans la largeur de la vanne. La turbine 2 est alimentée par le débordement de l'eau de retenue 3 audessus de la vanne à travers une bouche d'admission fermée par une grille 5, laquelle bouche d'admission permet l'entrée de l'eau dans une chambre d'admission 4. La vanne selon l'invention fonctionne de la même manière qu'une vanne standard quant à la régulation du niveau d'eau dans la retenue. La turbine 2 en rotation produit de l'électricité au moyen du générateur 7 situé également à l'intérieur de la vanne, immédiatement au-dessus de la turbine 5 2. L'ensemble en fonctionnement étant immergé. Plus précisément la turbine 2 est dimensionnée pour absorber le débit de surverse et le profil de la roue est étudié afin d'obtenir une vitesse nominale de rotation égale à une vitesse de synchronisme électrique. L'eau d'admission traverse une grille 5 de maille assez fine ayant pour 10 fonction de filtrer les débris et déchets en circulation avec l'eau pouvant obstruer et endommager la turbine. La grille 5 est prévue articulée autour d'un axe 6 de manière à permettre une ouverture pour interventions de maintenance. La grille 5 est prévue avec une longueur et une inclinaison suffisante vers l'aval afin de laisser s'évacuer les déchets. La maille de la grille sera choisie de manière à ne pas laisser pénétrer les poissons susceptibles de se déplacer dans la rivière. Plus précisément la grille 5 est inclinée dans le sens de l'amont vers l'aval. Ainsi configurée la grille est autonettoyante par un effet de chasse des déchets produit par le ressaut formé par l'eau à la traversée de la grille. En cas d'accumulation des déchets pour des raisons de régime d'écoulement particulier ou de déchet particulièrement encombrant une manoeuvre d'inclinaison de la vanne permet son nettoyage. La présence de la grille et la nécessaire inclinaison de la vanne pour un fonctionnement optimal entraînent une perte de charge pour la turbine correspondant à la différence de niveau entre l'eau de la retenue et le niveau à l'intérieur de la chambre d'admission 4. Le dénivelé utile pour produire de l'énergie est référencé H sur la figure 1. La vanne de barrage orientable, selon l'invention, comporte les fonctionnalités classiques des vannes installées sur les diverses retenues d'eau, cette vanne est notamment orientable entre 0 dans une position d'ouverture complète, telle que représentée sur la figure 2 et référencée O et une position de fermeture, c'est-à-dire à 90 par rapport à l'horizontale, tel que cela est illustré dans la figure 3. La figure 2 représente également la position de fonctionnement référencée F et la retenue d'eau 3. La figure 3 illustre la vanne en position de fermeture complète à 90 avec la grille 5 ouverte pour une opération de maintenance sur le turbogénérateur. Dans cette configuration le niveau de l'eau de retenue 3 est plus bas que le niveau d'écoulement dans la chambre d'admission qui est de fait vide d'eau. La vanne selon l'invention est orientable comme une vanne classique et peut faire fonctionner le turbogénérateur intégré tant que la chambre d'admission peut être suffisamment remplie en eau, c'est-à-dire notamment pour des angles inférieurs à la position de fonctionnement optimale. De fait la production électrique est possible même lorsque le niveau d'eau dans la retenue est inférieur au niveau nominal. Le fonctionnement des turbogénérateurs intégrés dans la structure de la vanne est donc réalisable dans une large plage d'orientation de ladite vanne et de préférence pour des angles compris entre 20 et 80 par rapport à l'horizontale. Cependant plus la hauteur H est importante, c'est-à-dire plus la vanne est orientée avec un angle important par rapport à l'horizontale, plus la puissance délivrée peut être élevée. EXEMPLE: Selon un exemple de réalisation il est installé sur une retenue d'eau 4 vannes de barrage, chaque vanne de 15 mètres de largeur dispose d'une hauteur d'eau H de 3.5 mètres pour actionner les turbines, chaque vanne comporte 7 turbogénérateurs de 40 centimètres de diamètre de roue motrice. Chaque turbogénérateur de 40 centimètres de diamètre peut absorber un débit de 700 litres par seconde sous la hauteur H de 3.5 mètres et tourner à 750 tours par minute en produisant une puissance électrique de 19 KW. Chaque vanne peut ainsi développer une puissance de 133 KW et 5 l'ensemble installé produire 532 KW. Les vannes ainsi réalisées s'intègrent bien dans la structure de la retenue d'eau, sans encombrement excessif, et permettent une production conséquente d'énergie usuellement perdue. Plusieurs formes et variantes sont possibles pour la vanne de barrage intégrant au moins un turbogénérateur dans sa structure, les dimensions de la vanne peuvent être choisies dans une large plage et le nombre de turbogénérateurs incorporés plus ou moins grand, de fait le dispositif peut être installé sur des retenues très différentes et délivrer des quantités variables d'énergie sans sortir du cadre de l'invention. La structure de la vanne, notamment la conformation de la partie supérieure comportant la chambre d'admission et la grille, peut être configurée de différentes manières, avec par exemple une chambre d'admission plus ou moins large et pouvant recevoir une quantité d'eau plus ou moins grande. L'ensemble turbine et générateur peut être positionné à différentes hauteurs à l'intérieur de la structure creuse et la vanne articulée de différentes manières avec la partie fixe de la retenue d'eau. Par ailleurs la grille peut être prévue différemment, plus ou moins inclinée par rapport à l'horizontale et par rapport à la grande dimension de la vanne, et avec des moyens automatisés pour l'évacuation des déchets, sans sortir du cadre de l'invention. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés à titre d'exemples, mais elle comprend aussi tous les équivalents techniques ainsi que leurs combinaisons. REVENDICATIONS 1- Vanne de barrage orientable autour d'un axe (1), destinée à être placée sur une retenue d'eau et à en réguler le débit d'écoulement, caractérisée en ce que sa structure est creuse et intègre des moyens permettant la production d'électricité. 2- Vanne de barrage selon la revendication 1 dans laquelle les moyens permettant la production d'électricité correspondent à au moins une turbine (2) couplée à au moins un générateur (7). 3- Vanne de barrage selon la revendication 2 dans laquelle au moins une 10 turbine (2) est alimentée par l'eau de débordement en provenance de la partie supérieure de la vanne. 4- Vanne de barrage selon la revendication 1 orientable entre un angle de 0 et un angle de 90 par rapport à l'horizontale, l'angle de 0 correspondant à la vanne ouverte complètement. 5- Vanne de barrage selon la revendication 4 apte à produire de l'électricité selon différentes orientations de la vanne et de préférence entre des angles de 20 et de 80 par rapport à l'horizontale. 6- Vanne de barrage selon la revendication 4 dans laquelle l'orientation de la vanne à 90 par rapport à l'horizontale correspond à une position de maintenance dans laquelle la ou les turbines (2) intégrées dans la structure de la vanne ne sont pas alimentées en eau. 7- Vanne de barrage selon l'une quelconque des revendications précédentes intégrant plusieurs turbogénérateurs dimensionnés en fonction de la taille de la vanne et de préférence régulièrement répartis dans la largeur de ladite vanne. 8- Vanne de barrage selon l'une quelconque des revendications précédentes disposant d'une grille (5) de retenue des déchets, positionnée au niveau de la bouche d'alimentation en eau de la chambre d'admission (4).