Brevet FR2898941A1 — publié le 20070928

to 15 EN.ERGIE RENOUVELABLE, L'HYDROLIENNE FLOTTANTE A) DOMAINE DE L 'INVENTION La présente invention concerne les énergies renouvelables d'origine hydraulique et plus particulièrement les hydroliennes (encore appelés moulin à eau). Une hydrolienne de ce type peut avoir une puissance unitaire de 1 Méga Watts , regroupée en ferme une production de plusieurs dizaine de Méga Watts est visée. Il est alors possible soit d'alimenter le rivage au moyen d'un câble collecteur sous marin , soit de regrouper la ferme hydrolienne et une usine flottante électrolysant l'eau de mer pour en extraire du sel marin , des métaux de valeur tel le magnésium ,ainsi que de l'oxygène et de l'hydrogène que l'on, peut liquéfier et exporter. B) ETAT DE LA TECHNIQUE La majorité des solutions pour capter l'énergie marémotrice ou l'énergie des courants requièrent des installations onéreuses délicates à entretenir et peu performantes. Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients. La présente invention a pour objet de définir une hydrolienne modulaire composée d'éléments standardisés (ou standardisables) de faible coût et de maintenance aisée. C) CONTENU DES FIGURES La figure 1 représente la vue en coupe en élévation d'une cellule de puissance La figure 2 représente la vue en gros plan de trois quarts avant de l'arrangement des 20 cellules entre elles La figure 3 représente la vue globale de trois quarts avant de l'arrangement des cellules entre elles configurée selon l'invention en une matrice de générateurs La figure 4 représente en position de travail la vue d'une matrice de générateurs disposés préférentiellement sous un trimaran selon l'invention. 25 La figure 5 représente en position de maintenance la vue d'une matrice de générateurs disposés préférentiellement sous un trimaran selon l'invention. C) DESCRIPTION DES ELEMENTS DES FIGURES 1) Concentrateur 2) Pales d'hélice 3) Moyeu d'hélice 4) Bord d'attaque du pavillon 4 b) carénage de Bord d'attaque de l'hélice préparant l'écoulement qu'il passe à l'intérieur de l'anneau tournant 6 5) Bord de fuite du pavillon 6) Anneau tournant de l'hélice 7) Pompe hydraulique (préférentiellement pompe à eau) 30 35 1 10 15 20 25 30 ) Structure de supportage de la pompe 9) Matrice de générateurs 10) Mat de supportage de la matrice 11) Poutre structurale reliant les deux barges arrière et supportant la matrice de générateurs 12) Poutre structurale reliant la barge avant à la poutre 11 13) Barges arrières 14) Barge avant. 15) Câble d'ancrage et câble de transport d'énergie électrique vers le rivage 16) Câbles de maintien en position travail et de relevage de la matrice 17) Articulation de liaison de la matrice 9 à la poutre structurale 11 18) Bord d'attaque du concentrateur (bord d'attaque des tôles 1) 19) Convergent virtuel allant du bord d'attaque 18 à l'anneau de fuite 4 20)'/2 angles solides du convergent virtuel 19 D) PRINCIPE DE LA RECUPERATION D'ENERGIE DES MAREES ET DES COURANTS CLASSIQUES L'exemple le plus célèbre de moyen de récupération de l'énergie des marées est l'usine marémotrice de la Rance en France. Elle est constituée par l'estuaire d'un petit cour d'eau, que l'on a barré par un ouvrage d'art qui empêche la marée de remonter dans ledit estuaire. Des passages sont ménagés dans cet ouvrage d'art et lorsque le niveau de la mer monte celle ci peut envahir l'estuaire en passant par ces conduits tout en motorisant des hélices réversibles qui sont placées dans les dits conduits. Réciproquement, lorsque la mer se retire, l'eau contenue dans l'estuaire doit repasser par les conduits de l'ouvrage et donc entraîner encore une foi les hélices ! Cette usine produit en moyenne 544 millions de kWh annuel soit 91 % de l'énergie marémotrice mondiale. Elle utilise 24 turbine de 10 Méga watts unitaires ; et produit une électricité à 2.8 centimes d'Euro contre 3.05 centimes d'Euro pour l'énergie nucléaire ! Des projets de production électrique utilisant des hélices analogues à des éoliennes à hélice immergées mettant en oeuvre une où 2 hélices par mat sont en cour d'étude en Angleterre et dans les pays Scandinaves.( projet Seagen 1 Méga Watt pour 2 hélices) E) PROBLEMES LIES A L'ART ANTERIEUR: Une usine telle que la Rance nécessite la conjonction d'un investissement très important et d'un site naturel propice tel l'estuaire de la Rance. 35 Les fiords Norvégiens pourraient probablement faire l'affaire mais il est clair que les sites parfaitement adaptés ne sont pas légions ! Les concepts d'hydrolienne sur mat ou posés au fond nécessitent de haut fond, des hélices complexes réversibles et des ensemble boite multiplicatrice - génératrice 2 10 15 20 25 30 35 extrêmement robustes produits sur mesure en très petite quantité et à des coûts très importants. L'usine de la Rance , en mode dégradé peut stopper certaine de ses 24 hélices ( cela permet de faire de la maintenance par exemple.) Une hydrolienne à un rotor en mode dégradé ne produit plus d'énergie. Les boites de multiplication mécanique utilisées par les hydroliennes consomment une énergie non négligeable et surtout offrent un couple au décollage important, cela a pour effet néfaste de nécessiter un courant relativement important pour obtenir la rotation de l'hélice, on perd donc ce faisant une bonne partie de l'énergie que l'on pourrai recueillir lors de courants faibles. De plus si le courant change d'orientation il faut implémenter un mécanisme d'orientation de l'hélice. Cela peu revenir cher en sousmarin et s'avérer délicat. F) PRINCIPE DE L'INVENTION : Au lieu de chercher des site fait pour les hydroliennes nous avons décidé de réaliser des hydroliennes faites pour tous les types de sites et en particulier pour les cas ou les fonds sont très profond, voire la pleine mer ! Pour arriver à un tel objectif il faut faire flotter l'hydrolienne, d'où notre concept de trimaran portant un module hydrolien constitué par une matrice de générateurs. Il suffit de pouvoir disposer d'un encrage à une profondeur raisonnable, il est alors possible de faire cheminer le câble de puissance le long de la ligne d'ancrage, puis de ce point vers le rivage. Le système utilisant préférentiellement trois barges ( une avant 14 d'où est issus 1 `ancre et deux arrières 13 portant la matrice 9 de générateurs entre elles ) et étant ancré 15 par l'avant se comporte comme une girouette et s'oriente naturellement nez au courant ! Une seule voir deux barges sont des combinaisons envisageables. Pour éviter d'avoir à construire des générateurs onéreux et complexe, et pour éviter d'utiliser des boites de multiplication mécanique on utilise de petites hélices de taille raisonnable par exemple de 0.8 mètres de diamètre. De telles hélices peuvent être avantageusement produites par injection thermos plastique à un coût modique. Ces hélices sont préférentiellement directement fixées sur l'arbre de pompes hydraulique à cylindrée fixe ou à pignons ou équivalent. Le fluide motorisé par les pompes est collecté dans un buss et est remonté à la surface. Dans les barges sont placés des petits groupes moteurs hydrauliques à cylindrée variable - génératrice électrique . Un circuit électronique règle la cylindrée des moteurs hydrauliques de façon à garantir une vitesse de rotation des génératrices constante et donc une fréquence électrique parfaitement stable. A titre d'exemple si on suppose une matrice de 100 hélices produisant en pointe 1 mégawatt cela ne représente que 10 kW par hélice. II y a 10 groupes moteurs 3 hydraulique - génératrice électrique dans les barges, cela ne représente que 100 kW par génératrice. On est en plein dans des tailles industrielles modeste de grande production et faible coût ! A pleine puissance des sous ensembles de dix hélices sont constitués pour entraîner chacun leur groupe générateur. A petite puissance on regroupe plus d'hélices sur mois de groupe générateurs, à l'extrême on peut n'avoir qu'un seul groupe générateur connecté aux 100 hélices ! Grâce à la transmission hydraulique on a donc l'équivalent d'une boite à vitesse de par exemple 10 rapports plus une capacité de variation continue par inclinaison des plateaux de pompe ! Le fluide hydraulique utilisé, naturellement peut être de l'huile, vu les faibles puissances unitaires une transmission utilisant de l'eau pure est très attrayante et possible. Une telle solution est attrayante car elle garantis une absence de pollution en cas de fuite. Le grand nombre d'hélices et de générateurs garanti un fonctionnement continu à peine altéré même en cas d'avarie sur quelques composants. De façon à optimiser le rendement et réduire le coût de l'hydrolienne nous utilisons pour chaque cellule un concentrateur constituant un convergent virtuel 19. Le convergent virtuel 19 est formé par la combinaison des bords d'attaque 18 des 20 tôles 1 entourant l'hélice et de l'anneau 4.voir figure 1. Préférentiellement, l'angle solide correspondant au convergent virtuel 19 sous-tendu par l'anneau 4 et les bords d'attaque 18 des tôles de concentrateur est le plus voisin possible en moyenne de 30 , cet angle est l'angle optimum du convergent d'entrée d'une tuyère de Laval. 25 Le concentrateur est constitué par des, préférentiellement quatre, tôles 1 convergentes par cellule d'hélice. Le rôle du convergent virtuel est de minimiser l'ingestion de couche limite et de tourbillons au niveau de l'hélice placée au col du convergent, tout en réduisant la perte de charge du conduit. 30 Il est à noter qu'une trémie classique (convergent physique) passant d'une entrée carrée à une sortie ronde provoque quatre puissants tourbillons qui dégradent le fonctionnement d'une hélice placée au col. C'est la géométrie particulière faisant appel à un convergent virtuel 19 tel que décrit ci dessus qui évite de tels tourbillons. Le rôle du concentrateur est de capter un courant d'eau d'une section très supérieure à la section de passage de l'hélice. On peut ainsi multiplier, grâce au concentrateur par environ un facteur quatre la vitesse du courant traversant l'hélice ! Cela permet de commencer à produire par très faible courant. D'une manière générale, l'hélice recevant un débit à vitesse élevée a un meilleur rendement qu'une hélice qui capterai tout le débit à sa vitesse initiale sans concentrateur. 10 15 35 40 4 20 25 Préférentiellement pour améliorer encore son rendement l'hélice est : • à anneau tournant 6 • à gros moyeux 3 • à anneau fixe 5 entourant l'anneau tournant Un carénage de bord d'attaque fixe 4 b placé en amont immédiat de l'hélice prépare l'écoulement et masque le bord d'attaque de l'anneau tournant 6 La matrice de générateurs 9 étant préférentiellement pendue sous la Poutre structurale 11 reliant les deux barges arrière, on peut treuiller celle ci grâce aux câbles 16 de façon à passer de la position de production, voir figure 4, à la position de 10 maintenance, voir figure 5. Dans la position de maintenance il est possible : • De contrôler, nettoyer, voir changer une hélice et sa pompe sur place. • De quitter la zone de collecte d'énergie et de s'acheminer vers un autre point de collecte, par exemple en fonction des saisons 15 • D'affronter une tempête en utilisant la matrice comme raidisseur structural du trimaran • de rentrer au port pour se mettre à l'abri d'une très forte tempête • de rentrer au port, pour de la maintenance lourde Préférentiellement : • le trimaran est automoteur • La poutre structurale arrière I l peut servir de réservoir pour la transmission hydraulique. Remarque : ^ Par tôles on désigne tout type de paroi quel que soit son matériau. Le mot Tôle peut être remplacé par paroi ^ Par barge on désigne tout moyen de flottaison ^ On fait usage de vannes afin de modifier le nombre de pompes hydraulique qui alimentent chaque moteur hydraulique.5 REVENDICATIONS 1. hydrolienne constituée de convergent virtuel 19 caractérisé par la combinaison des bords d'attaque 18 des tôles 1 et de l'anneau 4 de bord d'attaque de pavillon d'hélice. 2. hydrolienne constituée de convergent virtuel 19 selon la revendication 1 5 caractérisé par l'utilisation d'une hélice à anneau tournant 6 3. hydrolienne constituée de convergent virtuel 19 selon les revendications 1 et 2 caractérisé par la combinaison d'une hélice à anneau tournant 6 et d'un carénage de bord d'attaque 4b 4. hydrolienne constituée de matrice de convergents virtuels 9 selon les 10 revendications 1, 2 ou 3, caractérisée par la mise en parallèle d'une grande quantité de convergents virtuels 19 5. hydrolienne constituée de matrice de convergents virtuels 9 selon les revendications 1, 2 ,3 et 4 , caractérisée par l'usage d'articulation 17 permettant de changer la position de la matrice suivant qu'elle est en mode travail ou 15 maintenance. 6. hydrolienne constituée de matrice de convergents virtuels 9 selon les revendications 1, à 5, caractérisée par l'usage de barges 13 et 14 sous lesquelles est attachée la matrice de convergents virtuels 9 7. hydrolienne constituée de matrice de convergents virtuels 9 selon les 20 revendications 1, à 6, caractérisée par l'usage de pompe hydraulique pour collecter la puissance de chaque hélice placée au bord de fuite de chaque convergent virtuel 19. 8. hydrolienne constituée de matrice de convergents virtuels 9 selon les revendications 1, à 7, caractérisée par l'usage de moteurs hydraulique 25 préférentiellement à débit variable pour entraîner des génératrices électrique . 9. hydrolienne constituée de matrice de convergents virtuels 9 selon les revendications 1, à 8, caractérisée par l'usage de vannes permettant de modifier le nombre de pompes hydraulique qui alimentent chaque moteurs hydraulique . 6