Brevet FR2908479A1 — publié le 20080516

- 1 - La présente invention concerne des systèmes destinés à capter l'énergie du vent. Cette énergie est dispensée sur l'ensemble de la planète mais de façon irrégulière dans le temps. Une installation qui doit la recueillir ne peut être dimensionnée pour fonctionner avec le vent maximum susceptible de se produire à l'endroit de son .5 implantation car le coût serait prohibitif Sur les côtes nord ouest de la France, par exemple, on a enregistré des vents atteignant 250 km/h. La moyenne des vitesses de vent est d'environ 36 km/h , soit 10 m/s C'est ce dernier chiffre qui permettra d'estimer la puissance moyenne et donc le nombre global de kilowatt/heure que l'installation pourra fournir dans l'année. Par contre les installations doivent 1 0 mécaniquement résister aux vents extrêmes. Si l'on considère la surface S d'interception du vent par une éolienne, le volume d'air traversant cette section en une seconde est de S x v, v étant la vitesse du vent. La masse spécifique de l'air (au niveau du sol et à la température ambiante) étant de 1,29 kg par mètre cube, la masse d'air traversant la section S en 1 seconde est donc de 1,29 15 x S x v. Il s'en suit que l'énergie cinétique de cette masse d'air est E = 1 / 2 x 1,29 x S x v3. Pour une éolienne en forme d'hélice (en général tripale dans la technique actuelle) la section S est celle du cercle contenant l'hélice. A titre d'exemple une hélice de 76 mètres de diamètre (existante en France), soit S = 4500 m2 verra passer dans son cercle circonscrit, avec le vent moyen de 10 m/s, une masse d'air de 4500 x 10 x 1,29 = 58000 20 kg par seconde. L'énergie cinétique pour chaque seconde, c'est à. dire la puissance correspondante vaut E =x 58000 x 102 = 2,9 x 106 soit 2,9 MW. Malheureusement l'hélice ne pourra recueillir toute cette énergie pour deux raisons : - D'une part l'éolienne constituant une obstacle dans la veine d'air, une partie des filets d'air contournent l'éolienne, provoquant une certaine diminution de la vitesse 25 régnant dans les filets d'air traversant la section S. - D'autre part une partie des filets d'air traverse la section S entre les secteurs balayés par les pales. Bien qu'ils contribuent à la forme du champ aérodynamique autour des pales, ces filets d'air sont loin de céder à celles-ci la totalité de leur énergie cinétique. L'énergie recueillie par une éolienne provient en effet uniquement de 30 l'énergie cinétique de la veine d'air. Il n'y a pas d'énergie thermodymmnique recueillie puisqu'en aval de l'éolienne, la pression reste la pression atmosphérique et qu'il n'y a donc pas eu de phénomène de détente. Les études théoriques de RANKINE-FROUDE ont montré qu'une hélice éolienne a une possibilité de récupération de l'énergie cinétique de la veine d'air qui la traverse de 60 % au maximum. 2908479 û 2 û On peut estimer que selon les configurations plus ou moins optimales des hélices et de leurs angles d'attaque, la part utilisée de l'énergie cinétique de la veine d'air de section S est de 20 à 30 pour cent seulement selon les conditions de vent. Par ailleurs l'impact visuel d'une hélice éolienne placée sur un niât de grande hauteur (en France jusqu'à 125 m) est très important_ Les meilleurs sites se trouvant en bord de mer, ou sur des hauteurs, il serait catastrophique pour l'environnement de couvrir d'hélices gigantesques des sites touristiques remarquables de mer ou de montagne. Placer des éoliennes sur des coques flottant en mer est une idée très ancienne, de nombreux bateaux de plaisance obtiennent ainsi leu électricité de façon 1 0 très utile, surtout quand ils sont en mouillage forain. Placer de grandes éoliennes sur des barges ancrées assez loin des côtes permettra de s'affranchir d'un impact visuel néfaste. Que ce soit à terre ou sur des barges en mer, pour obtenir la plus grande efficacité et donc le moindre coût, il y a intérêt à convertir en énergie utilisable la plus grande 1 5 part possible de l'énergie cinétique de la veine d'air se présentant devant l'éolienne. Les procédés suivant la présente invention remédient aux inconvénients cités plus haut. Ils sont applicables à des installations implantés sur la croûte terrestre aussi bien que sur des barges flottantes ancrées en mer. Ces procédés permettent une meilleure efficacité tout en améliorant les problèmes 20 de pollution visuelle et de tenue aux vents extrêmes. Ils sont- applicables à des installations fixes sur la terre ferme ou implantés sur le fond de la mer quand celle-ci est peu profonde aussi bie.n qu'à des installations sur barges flottantes ancrées en mer. L'invention a pour caractéristique principale le fait que les parties tournantes de l'éolienne sont entourée d'un carénage au dessus, sur les côtés et au dessous de façon à 2 5 canaliser l'air dans une sorte d'entonnoir provoquant un effet de Venturi. Ce carénage est composé, avantageusement selon l'invention, d'une partie fixe entourant immédiatement les parties tournantes et de panneaux articulés ajoutés à la partie fixe du carénage, pouvant grâce à des asservissements, prendre toutes les positions depuis grandes ouvertes jusqu'à complètement fermées, en cas de vents excessifs pour 3 0 protéger les parties tournantes. Toujours selon l'invention les hélices classique peuvent alors être remplacées par des turbines à grand nombre d'aubes. Plusieurs hélices ou turbines peuvent être disposées côte à côte dans le fond de l'entonnoir constitué par le carénage. Selon l'invention également, ces hélices ou turbines peuvent être remplacées par des moulins 2908479 -- 3 ù à axes perpendiculaires à la direction du vent Selon l'invention également toutes les installations décrites ci-dessus peuvent être disposées sur une plate forme terrestre pouvant tourner autour d'un pivot pour être toujours face au vent ou sur une barge flottante pouvant tourner autour de son point 5 d'ancrage. Toujours selon l'invention les installations comportent un empennage permettant de les maintenir face au vent. Dans le cas de barges en mer, elles peuvent comporter de plus, sur l'avant, un dispositif de récupération de l'énergie des vagues. Enfin, elles peuvent avoir à bord des volants d'inertie permettant de stocker l'énergie. Sur la planche 1 : La figure 1 représente une vue en coupe de l'invention. La figure 2 est une vue de face où plusieurs hélices, ou turbines, sont disposées côte à côte. La figure 3 est une vue en coupe d'une installation selon l'invention montée sur une barge ancrée en mer. La figure 4 est une vue en coupe d'une installation selon l'invention où la partie tournante est un moulin à axe horizontal. La figure 5 est une vue de profil d'une installation selon l'invention avec les panneaux supérieurs et inférieurs partiellement rabattus. La figure 6 est une vue en coupe d'un système de récupération de l'énergie des vagues 20 par remplissage de bassins. La figure 7 est une vue en coupe d'un système de récupération de l'énergie des vagues à l'aide de flotteurs en•bout de bras articulés. En référence à ces dessins, les systèmes selon l'invention comportent des parties tournantes (1), entourées d'un carénage fixe (2) sur lequel peuvent être attachés des 25 panneaux supérieurs (3) par des articulations (4), des panneaux latéraux (5) par des articulations (6) et des panneaux inférieurs (7) par des articulations (8). Tout cet ensemble forme un entonnoir canalisant l'air vers les parties tournantes en l'accélérant par effet Venturi. Dans le cas où, pour les parties tournantes (1), la technique adoptée est l'hélice, 30 plusieurs de celles-ci, toujours selon l'invention, peuvent être groupées côte à côte comme sur la figure 2. La ou les hélices (1), se trouvant maintenant à l'intérieur d'une veine canalisée où la vitesse de l'air est plus grande qu'à l'air libre, peuvent voir leur nombre de pales augmenté et devenir des aubes (9), le système relevant alors selon l'invention de la technique des turbines. 2908479 û 4 Quand l'installation est terrestre, c'est à dire fixée soit sur la terre ferme, soit sur le fond marin, la plate-forme (1 0)qui la supporte, est avantageusement montée sur un pivot (11) pour être orientée face au vent, soit au moyen d'un asservissement contrôlé par un capteur de la direction du vent, soit toujours selon l'invention, par un 5 empennage vertical (12). Quand la plate-forme (10) supportant l'installation est montée sur une barge flottante (13), elle est capable de s'orienter face au vent en tournant autour de son point d'ancrage (14) comportant un tourillon,grâce également selon l'invention, comme ci-dessus, à un empennage vertical (12). Ces empennages peuvent, avantageusement selon 10 l'invention, que l'installation soit sur pivots ou sur barges flottantes, être équipél de gouvernes mobiles (15) d'axe vertical (16) permettant d'augmenter la rotation dans le cas où l'alignement face au vent est contrarié par des oscillations en lacet dues aux résonances aérodynamiques ou par un courant marin (courant de marée par exemple). Il est avantageux que le point d'ancrage (14) d'une barge se déplace le moins possible, d 5 pour pouvoir rapprocher les barges les unes des autres. Pour ce faire plusieurs ancres ou corps morts (17) peuvent être disposés sur le fond de la mer de façon circulaire, le tourillon (14) permettant à la barge de tourner autour de son point d'ancrage. Sans que cela soit limitatif les panneaux supérieurs (3) et les panneaux inférieurs (7) peuvent se rabattre comme montré sur la figure 5 pour protéger les parties tournantes (1) en les masquant partiellement ou totalement en cas de très fort vent. Les parties latérales (5) peuvent être également mobiles et se rabattre vers l'avant ou s'effacer vers l'arrière, comme encore montré sur la figure 5. La traînée aérodynamique de l'ensemble se trouve réduite ce qui diminue les efforts sur les ancrages, maritimes ou terrestres. Dans ce qui a été exposé ci-dessus les parties tournantes (1) évoquées étaient des hélices ou des turbines. Selon une variante de l'invention la technique du récepteur d'énergie peut être celle d'un moulin à axe horizontal ou vertical. La figure 4 est une coupe verticale d'un tel moulin. Les aubes telles que celles indiquées (18) sur cette figure 4 ont un profil d'aile l'avion, adapté aux faibles vitesses d'écoulement d'air qui est le domaine de travail des éoliennes. Avantageusement, selon l'invention, ces ailes peuvent être à forte courbure sans que cela soit limitatif. L'avantage d'un tel moulin est de mieux utiliser l'espace, permettant des installations moins hautes et plus compactes, ce qui diminue l'impact visuel pour des installations terrestres, d'autant 2908479 - 5 - plus que, peintes en façon camouflage, elles peuvent apparaître comme des mouvements de terrain. En mer la traînée est diminuée, ' Avantageusement, selon l'invention, l'angle d'âttaque les différentes aubes du moulin peut être ajusté de façon optimale suivant leurs différentes positions durant la 5 rotation, en orientant la corde de chaque aile constituant ces aubes. Cette orientation peut se faire soit en faisant tourner toute l'aile au tour d'un axe (19) situé au foyer de poussée de l'aile, c'est à dire à environ 25 % de la corde, soit en la munissant de volets hypersustentateurs (20) dont le braquage peut être ajusté, soit en effectuant les deux opérations à la fois. Le contrôle de ces angles peut être obtenu soit par un t o asservissement piloté par des capteurs de direction de filets d'air, soit par un ensemble de tringles analogues à celui communément appelé u araignée qui contrôlent l'angle d'attaque des pales d'hélicoptère. Pour éviter les trop grandes flexions des aubes, un moulin peut être sectionné en tronçons portés par des paliers intermédiaires. Pour alléger la construction plusieurs 1 s moulins à axes horizontaux peuvent être superposés ; de même plusieurs moulins à axes verticaux peuvent placés côte à côte. Lorsque l'éolienne, suivant l'une quelconque des variantes de l'invention, est installée sur une barge flottant en mer, par forte tempête, avec des vents tourbillonnants, les efforts traversiers sur le dispositif éolien lui-même avec son 20 carénage ainsi que sur l'empennage vertical (12), forcément de grande dimension, pourraient faire chavirer la barge. Pour contrer le couple de chavirement d'une telle barge, celle-ci peut être munie, selon l'invention, d'un lest (21) au bout d'une quille (22), la masse et la profondeur sdus la coque étant calculées pour fournir un couple de redressement suffisant pour contrer le couple de chavirement pour les vents traversiers 25 extrêmes. Ce lest à grande profondeur induisant un tirant d'eau très grand, il peut, toujours selon l'invention, être rétractable pour permettre à la barge de naviguer en eaux peu profondes lors de son lancement ou pour les opérations de carénage. C'est ainsi qu'une barge présentant une surface au vent traversier de 5000 m2 avec un centre de poussé à 70 m de haut, pour une composante latérale du vent de 80 30 noeuds, donnant une force de 1000 N/m2, subira un couple chavirage de 5000 x 70 x 1000 = 35.10' Newton x mètre. Au bout d'une quille (22) de 35 m le lest devra donc être approximativement de 1000 tonnes. Avantageusement du point de vue économique, ce lest pourra être en béton. 2908479 6 Selon l'invention, l'installation est fixée au littoral ou implantée sur le fond en eau peu profonde, ou encore posée sur une barge flottante ancrée sur le plateau continental et .la plate-forme (10) est munie à l'avant d'un système (24) de récupération de l'énergie des vagues. Ce système, sans que cela soit limitatif, peut être constitué par une série de 5 bassins '(25) placés à différentes hauteurs. Des plaques obturatrices (26) sont positionnées par des asservissements à la hauteur optimale pour que ce soit le bassin le plus élevé, possible qui soit rempli par les vagues. Des clapets anti-retour (27) empêchent l'eau de ressortir des bassins. Un pan incliné (28) permet aux vagues de s'élancer vers le haut. L'eau s'écoule ensuite des bassins à travers des turbines (29) 10 entraînant des générateurs électriques (30). Toujours selon l'invention et sans que cela soit limitatif, un autre système possible de-récupération de l'énergie des vagues est constitué de flotteurs (3 1) tenus par des bras (32). Le mouvement alternatif engendré par la montée et descente des flotteurs dans les vagues est récupéré soit par un embiellage soit par un système de crémaillères 15 pour entraîner en rotation des,génétïateurs (30). . Il est remarquable de noter que pour les deux systèmes cités, la longueur d'onde des vagues, leur fréquence, leur amplitude ou leur orientation, est sans influence. Quelque soit la technique utilisée pour l'entraînement des générateurs électriques (30), l'énergie électrique peut être évacuée soit en courant alternatif après élévation 20 éventuelle par un transformateur, soit en courant continu_ Toujours selon l'invention la plate forme (10) peut porter un volant d'inertie (33) permettant de stocker l'énergie pour la restituer à des moments opportuns. Pour évacuer l'énergie électrique produite par ce système de transformation de l'énergie des vagues, ou encore soutirée du volant d'inertie, un câble électrique (34) 25 peut, selon l'invention, sortir par le pivot (11) ou par le tourillon d'amarrage (14), ce qui permet à la barge de s'orienter sans contraindre ce câble électrique. Une autre solution, toujours selon l'invention, pour évacuer l'énergie ci-dessus. est de la transformer à bord de la plate-f orme (10) en hydrogène, par électrolyse, par exemple, sans que cela soit limitatif. REVENDICATIONS 1) Dispositif destiné à recueillir l'énergie des vagues, comportant une plate-forme support (10),pouvant être implantée fixement dans le sol, terre ferme ou fond marin en eau peu profonde, comportant alors un pivot (11) permettant à la plate-forme (10) de s'orienter à la demande, pouvant être aussi placée sur une barge flottante (13),ancrée sur le plateau continental, comportant alors un tourillon d'ancrage (14) permettant à la barge de s'orienter à la demande, comportant également un empennage (12) pouvant être équipé de gouvernes(15)d'axe vertical (16)comportant maintenant, à l'avant de la plate-forme (10),face aux vagues, un système de transformation de l'énergie cinétique des vagues en énergie électrique et comportant enfin un câble électrique (34) sortant par le pivot (10) ou le tourillon (14) ; caractérisé par le fait que quelque soit la longueur d'onde des vagues, leur fréquence, leur amplitude ou leur orientation, le fonctionnement du système est assuré, caractérisé encore par le fait que le câble électrique (34) ne subit pas de contraintes dangereuses lorsque la plate-forme (10) change d'orientation, caractérisé encore par le fait que grâce aux gouvernes (15) une orientation précise peut être assignée à la plate-forme (10) pour contrer les effets pervers d'origine aérodynamique ou dus aux courants marins, caractérisé enfin par le fait que la plate-forme (10) peut accueillir des installations annexes. 2) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il est muni à l'avant d'un système (24) de récupération de l'énergie des vagues lorsqu'il est installé fixé sur le fond de la mer quand celle-ci est peu profonde aussi bien que sur barge flottante. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il comprend une série de bassins (25) superposés que les vagues remplissent an passant par-dessus des plaques d'obturation (26) positionnées par des asservissements de façon à ce que ce soit le bassin le plus élevé qui soit rempli et caractérisé par le fait que les bassins (25) déversent leur eau dans des turbines (19) entraînant des générateurs électriques (30). 2908479 -8- 4) Dispositif suivant la revendication 2. caractérisé par le fait qu'il comprend desflotteurs (31) tenus par des bras (32) dont les mouvements provoqués par les vagues entraînent des générateurs électriques. 5) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes 5 caractérisé par le fait qu'il comprend à son bord un volant d'inertie (33) 6) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que l'énergie produite à bord est transformée sur place en hydrogène.