Brevet FR2935158A1 — publié le 20100226

-1- L'invention présentée ici concerne un dispositif de récupération de l'énergie de la houle marine pour produire de l'électricité. Parmi les technologies connues, on trouve celle de la centrale hydroélectrique flottante tripode à élévateur dont les trois flotteurs captent les oscillations de tangage et de roulis, pour créer un phénomène de rotulage. La Centrale Flottante Tripode à Pendule Inerte (CFTPI), objet de la présente demande, permet de transformer directement le mouvement de rotulage généré par la houle en rotation de l'axe de la génératrice électrique. Rappelons le principe du captage de l'énergie de la houle par rotulage (Figure 2): Une plate-forme est constituée par un pont et trois flotteurs disposés en un triangle approximativement équilatéral. Deux flotteurs sont alignés avec la direction de propagation de l'onde de houle (flotteurs de tangage, côté bâbord). Le troisième flotteur (flotteur de roulis) est à égale distance des deux premiers, du côté tribord. Lorsque les flotteurs de tangage sont à une hauteur identique en chevauchant une crête, le flotteur de roulis est sur la ligne de crête et incline le pont à bâbord. Quand l'onde aura avancé de la moitié de sa longueur, les deux flotteurs de tangage seront à nouveau à même hauteur, mais en chevauchant un creux. Le flotteur de roulis sera dans un creux et inclinera le pont à tribord. Une demi-onde plus tard, le pont aura repris sa position initiale, inclinée à bâbord. Durant le cycle (celui de l'onde), le pont de la machine roule de bâbord à tribord, puis de tribord à bâbord. Simultanément, il tangue: de l'horizontale, il plonge vers l'avant, revient à l'horizontale puis penche vers l'arrière, et retrouve sa position initiale horizontale. La combinaison des deux oscillations roulis et tangage fait décrire à l'axe perpendiculaire au pont un cône inversé. Le pont est soumis à une inclinaison en perpétuel pivotement autour d'un axe vertical. Il s'agit d'un mouvement oscillo-pivotant constituant un rotulage. Cette composition d'oscillations fait décrire à la ligne de plus grande pente du pont incliné un balayage de 360 degrés par cycle de la houle. La Centrale Flottante Tripode à Pendule Inerte (CFTPI) transforme sans dispositif intermédiaire complexe le mouvement de rotulage en une rotation de l'axe de la génératrice produisant l'électricité. Ce dispositif est indépendant de toute force de réaction externe, selon le principe du système isolé. Il flotte librement comme une bouée en reposant sur ses trois flotteurs disposés en triangle. Il est inchavirable grâce à la masse du contrepoids fixé à l'extrémité inférieure du pendule inerte, lui-même positionné au centre de la plate-forme. La centrale est ancrée afin de ne pas être déplacée par le vent ou les courants marins. Cet ancrage est conçu de façon à ne pas contrarier les oscillations dues à la houle. Utilisant un cabestan à chacun des quatre angles du pont, un ancrage en Y à l'avant et un autre à l'arrière permettent d'adapter l'orientation de la centrale au sens de la houle. La technique de construction relève d'un chantier naval banal. L'architecture ne présente aucun défi technique notoire et utilise des matériaux et des composants facilement réalisables et recyclables. -2- Une forme de l'invention est décrite dans les pages suivantes à titre indicatif et nullement limitatif. Les dessins annexés illustrent l'invention. Figure 1: centrale flottant sur la houle (pour l'abrégé) Figure 2: principe physique du rotulage dû à la houle Figure 3: centrale vue de dessus Figure 4: centrale vue de dessous Figure 5: centrale vue en coupe Figure 6: cardan du pendule inerte et canal circulaire Figure 7: doigt à fourche et palette d'entraînement Figure 8: amplificateur de couple Figure 9: centrale fixée par tube télescopique La Centrale Flottante Tripode à Pendule Inerte (CFTPI) comporte différentes parties détaillées ci-après: 1)- PONT (Figures 1, 2, 3, 4, 6, 9) Le pont 1 de la centrale repose sur trois flotteurs: tangage avant 2, tangage arrière 3 et roulis 4, qui forment un triangle équilatéral. Les deux flotteurs de tangage sont disposés selon la direction de propagation de la houle. Ces trois flotteurs, qui assurent les oeuvres vives, sont de section constante et sont surmontés, chacun, d'un stabilisateur ayant une section conique croissante , afin de présenter une rétroaction stabilisante pour les fortes amplitudes de houle. De plus, aux quatre coins de la plate-forme rectangulaire, des stabilisateurs assurent la sécurité de la centrale pour les cas de gîte extrême: stabilisateurs avant bâbord 5, avant tribord 6, arrière bâbord 7 et arrière tribord 8. Une ossature constituée de trois arches 18 rigidifie la centrale tout en transmettant au doigt 21 le mouvement de rotulage. Elle sert de charpente pour un dôme de protection 17. Le pont comporte, en son centre, une articulation de type Cardan 11 (ou de type rotule à doigt) pour soutenir le pendule 10 qui peut ainsi conserver sa verticalité quelle que soit l'inclinaison imposée à la plate-forme par la houle. 2)- CANAL CIRCULAIRE (Figures 1, 4, 5, 6, 9) Un canal circulaire 15, centré par rapport à l'axe de la centrale, est ménagé dans le pont. Il contient un volume d'eau captif 16 appelé "goulée" qui se rassemble dans sa partie la plus basse. La masse de cette goulée crée un balourd et, du mouvement circulaire de celui-ci, naît une force centrifuge. La goulée est en rotation synchrone avec le mouvement de rotulage du pont. Le pont prend ainsi une gîte résultant de trois facteurs: a) le passage de la houle créant le rotulage, b) l'existence du balourd par la goulée, c) l'action de la force centrifuge due au déplacement circulaire de la goulée d'eau. 2935158 -3- Cet angle de gîte suit, en rotation, la ligne de plus grande pente du pont, constituant ainsi le rotulage autour de faxe vertical matérialisé par le pendule inerte 10. 3)- PENDULE INERTE (Figures 1, 3, 4, 5, 6, 8) Il est constitué d'une tige de forte section munie d'une suspension de Cardan 11 l'attachant au 5 centre du pont. Tous les mouvements angulaires entre pont et pendule sont libres, ce qui permet au pont d'osciller et de pivoter, mais pas de tourner sur lui-même. On obtiendrait le même fonctionnement avec une rotule à doigt. Une bague butoir 9, placée sur le pendule, définit l'angle maximal permis entre pendule et pont. Un lourd contrepoids 13 est fixé, à bonne profondeur, à l'extrémité inférieure du pendule pour 10 assurer la quasi verticalité permanente de ce dernier. Des ailettes de stabilisation 14 peuvent compléter l'effet du contrepoids. Le pont, soumis au mouvement de rotulage créé par la houle et amplifié par l'eau du canal circulaire 15, prend ainsi un angle de gîte par rapport à cette référence verticale. A l'extrémité haute du pendule, et dans son prolongement, est fixée la génératrice électrique 19 dont l'axe est muni d'une palette d'entraînement 20. 15 Un soufflet d'étanchéité 12 est placé autour de l'articulation de Cardan du pendule pour interdire à l'eau de mer de pénétrer dans la centrale. 4)- DOIGT A FOURCHE ET PALETTE D'ENTRAINEMENT (Figures 1, 5, 7, 8) Une palette plane 20 montée sur l'axe de la génératrice 19 assure la rotation de cette dernière sous l'influence de la force engendrée par le mouvement de rotulage du pont. Cette force motrice est 20 constamment perpendiculaire à la surface de la palette. Elle est exercée sur la palette par un doigt à fourche 21 solidaire du pont 1 par les arches 18. Ce doigt, libre en rotation, possède un évidement central dans lequel la palette 20 peut coulisser. Afin de transmettre l'importante force tout en permettant le glissement entre les deux pièces, le contact entre la fourche du doigt et la surface de la palette est assurée soit par des rouleaux, soit par des champs de billes soit, encore, par des matières à très faible coefficient 25 de frottement. La courbure générale de la palette 20 est proche de celle d'un arc de cercle afin de recueillir, pour tout angle de gîte, la pression du doigt précité. Palette et doigt sont en contact permanent, quel que soit l'écart angulaire entre eux. Une variante pour la fonction de transmission du couple à la génératrice peut être constituée par 30 un premier levier solidaire de l'axe de la génératrice 19 et relié par pivot à un seconde levier dont l'extrémité comporte un alésage. Cet alésage permet au doigt 21 , simplement cylindrique et non fourchu dans cette variante, de coulisser tout en décrivant sa trajectoire créée par le rotulage. Le débattement angulaire des deux leviers s'effectue dans un plan perpendiculaire à l'axe vertical de la génératrice (axe du pendule). 35 5)- AMPLIFICATEUR DE COUPLE (Figure 8) La Centrale Flottante Tripode à Pendule Inerte présentée ci-dessus fonctionne avec le doigt à fourche 21 fixé au sommet des arches 18, la trajectoire du doigt étant celle du cône de rotulage. 2935158 -4- Dans le but d'accroître le moment de la force motrice appliquée à la génératrice 19, il est ajouté un Amplificateur de Couple qui permet d'agrandir cette trajectoire. Au déplacement du doigt 21 généré par le rotulage du pont 1 transmis par les arches 18, s'ajoute celui dû à deux chariots mobiles combinés 22 et 23. Le doigt 21 se déplace selon deux axes 5 perpendiculaires entre eux et parallèles au pont, de sorte qu'il décrive, autour de l'axe du pendule inerte 10, une trajectoire de plus grand rayon que celui du cône de rotulage initial généré par la houle. La distance doigt ù axe de la génératrice étant plus grande, le moment du couple est augmenté. Guidé par des rails de roulis 24, le doigt 21 se déplace donc sur un chariot de roulis 22, lui-même monté à l'intérieur d'un chariot de tangage 23, guidé par des rails de tangage 25 solidaires du 10 pont. Les déplacements du chariot de roulis sur ses rails de guidage sont provoqués par le jeu du tirant primaire 26, du tirant secondaire 27 et du levier oscillant 28. Les déplacements du chariot de tangage sur ses rails de guidage sont provoqués par le jeu du tirant primaire 29, du tirant secondaire 30 et du levier oscillant 31. Ces leviers et tirants sont articulés grâce à des rotules 32. Un effet de bascule des leviers 15 oscillants a lieu grâce aux pivots 33 solidaires du pont de la centrale. La position des rotules et des pivots est telle que cet effet de décalage du doigt existe pour tout angle de gîte. Ce dispositif de chariots mobiles jouant le rôle d'amplificateur de couple permet un fonctionnement même sur des houles de faible amplitude et de grande longueur d'onde. 6)- GENERATRICE (Figure 1, 5) 20 Fixée à l'extrémité haute du pendule, la génératrice électrique 19 tourne grâce au moment de la force qui s'exerce perpendiculairement sur la palette 20 par le doigt à fourche 21 au cours du rotulage. L'énergie électrique délivrée est envoyée à terre par un câble sous-marin. Suivant le type de génératrice utilisé un multiplicateur de tours peut s'avérer nécessaire. 7)- REMPLACEMENT DU PENDULE PAR UN TUBE TELESCOPIQUE (Figure 9) 25 Pour exploiter l'augmentation de l'amplitude de la houle dans les zones de hauts-fonds, la partie inférieure du pendule 10 prend la forme d'un tube télescopique 34 à embase scellée ou posée sur le fond marin. La section des tubes coulissants doit interdire toute rotation axiale (par exemple, section hexagonale). La référence verticale nécessaire au fonctionnement de la centrale est ainsi parfaitement assurée, 30 tout en permettant à la centrale de suivre le marnage. L'effet de shoaling dirigeant la houle perpendiculairement au rivage dans les zones de hauts-fonds, et le tube télescopique 10 étant fixé à sa base, l'ancrage devient inutile. REVENDICATIONS1)- Dispositif pour capter l'énergie verticale et le profil de la houle, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une plate-forme flottante qui comprend un pont 1 reposant sur trois flotteurs 2, 3, 4, et au centre de laquelle est articulé, par un dispositif Cardan, un pendule vertical inerte 10 servant d'axe de référence pour le phénomène de rotulage. L'extrémité supérieure du pendule 10 supporte une génératrice électrique 19 dont l'axe est muni d'une palette 20 entraînée en permanence par le doigt à fourche 21 lui- même déplacé par le mouvement de rotulage de la plate-forme autour dudit axe. 2)- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen permettant l'amplification de la gîte initialement générée par la houle, et la régularisation du rotulage, est constitué par un canal circulaire fermé 15 ménagé dans le pont 1 de la centrale, et contenant un fort volume d'eau dénommé "goulée" 16 se rassemblant dans la partie la plus basse. Il en résulte un balourd par effet de déplacement des masses et une force centrifuge du fait de son mouvement circulaire. 3)- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un amplificateur de couple constitué par un double jeu de leviers oscillants (28, 31) et de tirants articulés (26, 27, 29, 30) déplace un chariot double (22 - 23) qui élargit la trajectoire du doigt 21 autour de l'axe de la génératrice 19. 4)- Dispositif selon les revendications 1 et 3 caractérisé, en variante, par un premier levier solidaire de l'axe de la génératrice 19 et relié par pivot à un seconde levier dont l'extrémité comporte un alésage. Cet alésage permet au doigt 21 , simplement cylindrique et non fourchu dans cette variante, de coulisser tout en décrivant sa trajectoire créée par le rotulage. Le débattement angulaire des deux leviers s'effectue dans un plan perpendiculaire à l'axe vertical de la génératrice (axe du pendule). 5)- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que un tube télescopique coulissant 34 remplace, en variante, la partie inférieure du pendule, et est fixé au fond marin, ce système permettant à la centrale d'être implantée sur des hauts-fonds en s'adaptant au marnage.